univerzita komenskÉho v bratislave ... - fmph.uniba.sk · mení sa jej vnútorná energia. preto...

UNIVERZITA KOMENSKÉHO V BRATISLAVE

FAKULTA MATEMATIKY, FYZIKY A INFORMATIKY

ŠTÚDIUM PROCESOV USKLADNENIA ENERGIE A MOŽNOSTÍ

KONVERZIE MEDZI ELEKTRICKOU, MECHANICKOU A

TEPELNOU ENERGIOU

Diplomová práca

2015

Bc. Ján Kováč

UNIVERZITA KOMENSKÉHO V BRATISLAVE

FAKULTA MATEMATIKY, FYZIKY A INFORMATIKY

ŠTÚDIUM PROCESOV USKLADNENIA ENERGIE A MOŽNOSTÍ

KONVERZIE MEDZI ELEKTRICKOU, MECHANICKOU A

TEPELNOU ENERGIOU

Diplomová práca

Študijný program: Enviromentálna fyzika a obnoviteľné zdroje energie

Študijný odbor: 4.1.1. fyzika

Školiace pracovisko: Katedra astronómie, fyziky Zeme a meteorológie

Školiteľ: Doc. RNDr. Marcela Morvová, PhD.

Bratislava 2015

Bc. Ján Kováč

Čestné vyhlásenie:

Čestne vyhlasujem, že diplomovú prácu som vypracoval

samostatne, len s použitím uvedenej literatúry a s pomocou

vedúcej práce.

...........................................

Bc. Ján Kováč

Poďakovanie

Za pomoc pri vypracovaní diplomovej práce ďakujem vedúcej práce Doc. RNDr. Marcele

Morvovej, PhD. Hlavne za jej odborné rady, podnetné pripomienky a čas, ktorý sme spolu

aj s celým kolektívom strávili pri príprave experimentálnej aparatúry. Moje poďakovanie

patrí aj všetkým ostatným, ktorí mi pomohli a podporili ma v mojom úsilí.

Abstrakt

KOVÁČ, Ján: Štúdium procesov uskladnenia energie a možností konverzie medzi

mechanickou, elektrickou a tepelnou energiou [Diplomová práca]. Univerzita Komenského

v Bratislave; Fakulta matematiky, fyziky a informatiky; Katedra astronómie, fyziky Zeme

a meteorológie. Vedúci práce: Doc. RNDr. Marcela Morvová, PhD. Bratislava, 2015, 72 s.

Táto práca prináša prehľad materiálov, ktoré môžu byť použité ako uskladňovacie médium

pre zásobníky tepla na báze PCM. Väčšina z týchto materiálov má vysoké merné

skupenské teplo, ale nízku tepelnú vodivosť, ktorá limituje ich využitie v solárnych

aplikáciách. Na základe dostupných informácií o metódach zvýšenia tepelnej vodivosti

PCM bolo skonštruované experimentálne zariadenie, ktoré využíva zmes parafínu a grafitu

ako akumulačné médium na uskladňovanie solárneho tepla. Grafit v zmesi bol čiastočne

stabilizovaný použitím polymérneho aditíva. Cieľom práce bolo získať predbežné

výkonové charakteristiky zásobníka a posúdiť efektivitu nabíjania zásobníka. Z výsledkov

je zrejmé, že počas priaznivého počasia je zásobník schopný akumulovať relatívne veľké

množstvo tepla a dosahuje relatívne vysoký výkon. Na konci práce prinášam niekoľko

návrhov pre ďaľšie skúmanie a lepšie technické vybavenie zásobníka.

Kľúčové slová: Fázová premena, PCM, Parafín, uskladnenie skupenského tepla, nabíjanie,

výkonová charakteristika

Abstract

KOVÁČ, Ján: Study of energy storage processes and conversion possibilities between

electrical, mechanical and heat energies [Master thesis]. Comenius University, Faculty of

Mathematics, Physics and Informatics; Department of Astronomy, Earth Physics and

Meteorology. Supervisor: Doc. RNDr. Marcela Morvová, PhD. Bratislava, 2015, 72 p.

This paper provides an overview of materials that can be used as the storage medium for

heat storage systems on the bases of PCM. Most of these materials have high latent heat

but low thermal conductivity, which limits their use in solar applications. Based on

available information on methods for increasing the thermal conductivity of PCM, we

designed an experimental device that uses a mixture of paraffin and graphite as the storage

medium for storing solar heat. Graphite in the mixture was partially stabilized by using the

polymeric additives. Our goal was to obtain preliminary performance characteristics of the

experimental latent heat storage system and to evaluate the effectiveness of its charging.

The results show that during favorable weather, the experimental tank can store a relatively

large amount of heat and reaches a relatively high performance. In the conclusion, we

present the suggestions for further research and improvement of the hardware stack.

Key words: Phase transition, PCM, paraffin, latent heat storage, charging, performance

characteristics

Predhovor

Táto záverčná diplomová práca poskytuje prehľad materiálov, ktoré môžu byť použité na

uskladňovanie tepla na báze skupenského tepla v rôznych aplikáciách. Spomenuté sú aj

najbežnejšie problémy, ktoré bránia týmto materiálom v komerčnom využívaní. Cieľom

práce bola konštrukcia experimentálneho zariadenia, ktoré využíva slnečné žiarenie na

produkciu tepla a uskladňovač tepla na akumuláciu tepla pomocou látok využívajúcich

skupenské teplo. Toto zariadenie bolo skonštruované na Fakulte matematiky, fyziky

a informatiky Univerzity Komenského v Bratislave. Vzhľadom na to, že ide o nové

zariadenie, bolo potrebné na jeho konštrukciu vynaložiť veľké úsilie, za ktoré sa chcem

ešte raz poďakovať celému nášmu kolektívu. Kvôli časovej obmedzenosti neboli

vybudované vybíjacie okruhy, ale len nabíjacie okruhy s 90⁰ a 30⁰ sklonenými vákuovými

trubicovými kolektormi. Tie v tejto práci priniesli pohľad na to, ako efektívne možno

nabíjať zásobník solárnym obnoviteľným zdrojom energie a uskladňovať tak teplo pre jeho

ďaľšie využívanie. Dobudovanie vybíjacích okruhov umožní v blízkej budúcnosti

skúmanie výkonu zásobníka pri kombinovanom procese nabíjania a vybíjania súčasne.

Obsah

Zoznam skratiek a značiek ................................................................................................ 10

Úvod .................................................................................................................................... 11

1 Cieľ práce ................................................................................................................... 12

2 Teoretická časť ........................................................................................................... 13

2.1 Fázové premeny .................................................................................................... 13

2.1.1 Skupenské teplo topenia ................................................................................ 15

2.1.2 Skupenské teplo vyparovania ........................................................................ 15

2.2 Vlastnosti látok využívajúcich fázovú premenu na akumuláciu tepla .................. 15

2.2.1 Tepelné vlastnosti .......................................................................................... 16

2.2.2 Fyzikálne vlastnosti ....................................................................................... 16

2.2.3 Chemické vlastnosti ....................................................................................... 16

2.2.4 Ekonomické vlastnosti ................................................................................... 17

2.3 Klasifikácia PCM .................................................................................................. 17

2.3.1 Organické látky .............................................................................................. 18

2.3.2 Anorganické látky .......................................................................................... 21

2.4 Techniky vylepšenia niektorých vlastností PCM .................................................. 25

2.4.1 Zvýšenie tepelnej vodivosti PCM a výkonu zásobníka ................................. 25

2.4.2 Redukcia podchladenia .................................................................................. 30

3 Experimentálna časť ................................................................................................. 31

3.1 Použité zariadenia a materiály .............................................................................. 31

3.1.1 Vákuové slnečné kolektory ............................................................................ 31

3.1.2 Teplonosná kvapalina .................................................................................... 32

3.1.3 Obehové čerpadlá .......................................................................................... 34

3.1.4 Meracia technika ............................................................................................ 34

3.1.5 Výmenníky tepla ............................................................................................ 37

3.1.6 Obal zásobníka ............................................................................................... 37

3.1.7 PCM ............................................................................................................... 38

3.2 Experimentálne zapojenie a kapacita zásobníka tepla .......................................... 41

3.2.1 Schéma aparatúry ........................................................................................... 41

3.2.2 Tepelná kapacita zásobníka ........................................................................... 42

3.3 Metódy analýzy ..................................................................................................... 44

3.3.1 Základné veličiny ........................................................................................... 44

3.3.2 Výpočet štandardnej neistoty ......................................................................... 45

4 Výsledky ...................................................................................................................... 46

4.1 Stabilizácia grafitu použitou metódou .................................................................. 46

4.2 Vstupná/výstupná teplota HTF a výkonové charakteristiky ................................. 48

4.2.1 10.4.2015 ....................................................................................................... 48

4.2.2 13.4.2015 ....................................................................................................... 50

4.2.3 21.4.2015 ....................................................................................................... 52

4.2.4 22.4.2015 ....................................................................................................... 54

4.2.5 23.4.2015 ....................................................................................................... 56

4.2.6 24.4.2015 ....................................................................................................... 58

4.2.7 25.4.2015 ....................................................................................................... 60

5 Diskusia ....................................................................................................................... 62

5.1 Stabilita kapsúl a porovnanie stabilizácie grafitu .................................................. 62

5.2 Vstupná/výstupná teplota HTF a výkonové charakteristiky ................................. 63

Záver ................................................................................................................................... 67

Zoznam použitých zdrojov ................................................................................................ 69

10

Zoznam skratiek a značiek

am roztopená frakcia PCM (bezrozmerné)

cHTF merná tepelná kapacita HTF (kJ/kgK)

ci merná tepelná kapacita látky (kJ/kgK) i=S, L, G

F prietok HTF (m3/s)

i index označujúci fázu: S (solid), L (liquid) a G (gas)

Lm skupenské teplo PCM (kJ)

m hmotnosť látky (m)

q výkon solárneho okruhu (kW)

qav priemerný výkon solárneho okruhu (kW)

Q množstvo uskladneného tepla (kWh)

Qi citeľné teplo (kJ) i=S, L, G

tf konečný čas (s)

ti počiatočný čas (s)

Tf konečná teplota látky (K)

Ti počiatočná teplota látky (K)

Tin vstupná teplota HTF (K)

Tm teplota topenia PCM (K) PCM Phase Change Material

Tout výstupná teplota HTF (K) TÚV teplá úžitková voda

u(f) štandardná neistota parametra f PEG polyetylénglykoly

V objem (m3) HTF Heat Transfer Fluid

Δhm entalpia topenia (kJ/kg) PA polymérové aditívum

ΔT teplotný rozdiel HTF (K), (⁰C) MWCNT Multi-walled Carbon Nanotubes

ρHTF hustota HTF (kg/m3) MPCS Microencapsulated Phase

Change Slurry

11

Úvod

Nedostatok fosílnych zdrojov energie a ich nepriaznivý vplyv na životné prostredie vyústili

v posledných rokoch k hľadaniu mnohých alternatívnych možností. Jednou z nich je aj

využívanie slnečnej energie na získavanie tepla pre domácnosti. Významným nedostatkom

slnečného žiarenia je však jeho nestálosť. Pri jeho využívaní je preto potrebné získanú

energiu najprv uskladniť. V súčasnosti sa bežne používajú zásobníky citeľného tepla, ale

kvôli ich malej tepelnej kapacite je schopnosť uskladňovať väčšie množstvo energie

značne obmedzená. Musia sa používať veľkorozmerné zásobníky zaberajúce veľký objem.

Za posledné desaťročia boli vo veľkej miere skúmané látky, ktoré pri fázovej premene

akumulujú veľké skupenské teplo. Ich schopnosť akumulovať teplo je niekoľkonásobne

vyššia ako pri látkach využívajúcich citeľné teplo. Významnou vlastnosťou týchto látok je

aj to, že prijímajú alebo odovzdávajú teplo pri konštantnej teplote. Táto vlastnosť našla

uplatnenie vo viacerých aplikáciách, kde je potrebné stabilizovať teplotu. Naproti týmto

výhodám, takmer všetky skupiny látok využívajúce fázovú premenu majú nízku tepelnú

vodivosť. Táto nevýhoda má veľmi nepriaznivý vplyv na výkon zásobníka využívajúceho

skupenské teplo.

Snahou predošlých štúdií bolo hľadať riešenia ako zvýšiť výkon zásobníka zvyšovaním

tepelnej vodivosti látok, konštrukčnou zmenou v zásobníku alebo inými metódami, ktoré

budú v práci objasnené. Väčšina z týchto štúdií bola zameraná na skúmanie tepelných

vlastností upravených látok v experimentálnych jednotkách s jasne definovanými

vstupnými parametrami a nie na ich správanie priamo v reálnych podmienkach vo

veľkokapacitnom zásobníku. Pri konštrukcii celej experimentálnej aparatúry sme

vychádzali z doterajších poznatkov a snahou nášho kolektívu bolo vytvoriť práve také

zariadenie, ktoré efektívne akumuluje energiu získanú pomocou vákuových slnečných

kolektorov v reálnych podmienkach. Konštrukcia zariadenia priniesla aj ďaľšie úlohy,

ktoré bude ešte v blízkej budúcnosti nutné vyriešiť. Bol tak vytvorený priestor pre ďaľšie

skúmanie a vylepšovanie celého zariadenia.

12

1 Cieľ práce

Hlavným cieľom tejto práce bola konštrukcia kompletnej experimentálnej aparatúry

využívajúcej slnečné žiarenie na akumuláciu tepelnej energie a získanie prvotných

nabíjacích charakteristík zásobníka tepla. Zásobník využíva na akumuláciu tepla fázový

prechod medzi pevným a kvapalným skupenstvom parafínu. Na skúmanie procesov

v zásobníku a v celom experimentálnom zapojení, ktoré budú zaznámenávané aj v dlhšom

časovom horizonte, tak bolo potrebné urobiť nasledujúce kroky:

1. Štúdium procesov, ktoré prebiehajú pri fázových premenách a štúdium látok, ktoré

využívajú na akumuláciu tepla fázové premeny medzi pevným a kvapalným

skupenstvom.

2. Konštrukcia experimentálnej aparatúry pozostávajúcej zo zásobníka tepla

nabíjaného vákuovými trubicovými kolektormi a podrobný technický popis

použitých zariadení, prvkov a materiálov.

3. Vyhodnotiť namerané údaje, urobiť prvotné merania a získať výkonové

charakteristiky zásobníka počas niekoľkých dní. Posúdiť efektivitu uskladňovania

tepla v experimentálnom zapojení a posúdiť zlepšenie tepelných vlastností parafínu

vo vyrobenej zmesi.

4. Na základe predošlých troch bodov priniesť návrhy pre ďaľšie skúmanie a

technické vylepšenie experimentálneho zásobníka a parafínovej zmesi.

13

2 Teoretická časť

2.1 Fázové premeny

Chemicky čisté látky sú schopné meniť svoje skupenstvo/fázu pri zmene niektorej stavovej

veličiny (napr. teplota). Fázová premena látky síce prebieha pri konštantnej teplote, ale

mení sa jej vnútorná energia. Preto je na prechod z jednej fázy do druhej potrebné dodať,

resp. odobrať tepelnú energiu. Túto energiu nazývame skupenské teplo. Skupenské teplá

možno podľa druhu fázovej premeny rozdeliť na skupenské teplo topenia, tuhnutia,

vyparovania, kondenzácie, sublimácie a desublimácie. Pre reverzné deje (napr.

topenie/tuhnutie) je hodnota skupenského tepla rovnaká.

Pri fázovej premene sa menia aj vlastnosti látky ako je napr. hustota, objem, merná tepelná

kapacita, tepelná vodivosť, elektrická vodivosť, viskozita a pod.

Fázové premeny ilustruje obr. 2.1, v ktorom sa nachádza fázový diagram pre vodu.

Podobný diagram možno získať pre ľubovoľnú látku, ale väčšina látok má krivku medzi

pevnou a kvapalnou fázou naklonenú doprava. Pri vode sa vyskytuje anomália a krivka je

mierne posunutá doľava. Fázový diagram predstavuje závislosť dvoch stavových veličín,

závislosť tlaku od teploty, v ktorej sú zakreslené krivky pre teplotu topenia a teplotu varu

látky rozdeľujúce jednotlivé fázy. Zmenou tlaku pôsobiaceho na látku možno meniť

teplotu topenia resp. varu látky.

Inými slovami, plyn možno

znižovaním teploty alebo zvyšovaním

tlaku skvapalniť len po kritický bod.

Kritická teplota je teplota, nad ktorú sa

plyn nedokáže skvapalniť pri

sebeväčšom zvyšovaní tlaku. Ďalším

zaujímavým bodom je trojný bod. Pri

určitej kombinácii tlaku a teploty sa

môže látka nachádzať vo všetkých

troch skupenstvách. Pod týmto bodom

sa látka môže nachádzať už len

v plynnom alebo pevnom skupenstve.

Obr. 2.1 Fázový diagram vody [1]

14

Medzi trojným a kritickým bodom môže látka prechádzať medzi všetkými tromi

skupenstvami. Ak do tohto intervalu spadá aj atmosférický tlak, tak možno v normálnych

podmienkach využiť prechod medzi všetkými fázami. Z obr. 2.1 je zrejmé, že takým

príkladom je voda, ktorá sa v atmosfére môže nachádzať aj vo forme ľadu a pary.

Na obr.2.2 je znázornená závislosť teploty látky od množstva dodávaného tepla

pozostávajúca z piatich častí. V prvej časti, v intervale teplôt od 0 K po teplotu topenia je

pevnej látke dodávaná tepelná energia, ktorú látka využíva na svoj ohrev. Príjima tzv.

citeľné teplo Q, ktoré sa dá vo všeobecnosti jednoducho vyjadriť v tvare [2]:

𝑄𝑖 = ∫ 𝑚𝑐𝑖𝑑𝑇

𝑇𝑓

𝑇𝑖

(2.1)

Vo vzťahu (2.1) je m hmotnosť látky, c jej merná tepelná kapacita, Ti počiatočná teplota

látky a Tf jej konečná teplota. Index i označuje fázu, v ktorej sa látka nachádza. Pre pevné,

kvapalné a plynné skupenstvo je to S (solid), L (liquid) a G (gas), v príslušnom poradí.

Množstvo tepla, ktoré je potrebné dodať látke, aby sa ohriala o danú teplotu závisí od fázy,

v ktorej sa látka nachádza. Merná tepelná kapacita látky sa totiž líši v danej fáze a môže

byť aj závislá od jej teploty.

Po dosiahnutí teploty topenia, látka prijíma teplo, ktoré využíva na prechod z pevnej fázy

do kvapalnej. Rast teploty sa zastaví a zotrváva pri konštantnej hodnote, pokým sa celá

látka nepremení. Látka v tejto časti prijíma skupenské teplo topenia. Po dosiahnutí

kvapalného skupenstva, látka opäť prijíma citeľné teplo a ohrieva sa až na teplotu varu. Pri

teplote varu prebieha prijímanie skupenského tepla vyparovania a látka prechádza

z kvapalného skupenstva na plynné. Ďaľšie dodávenie tepla vedie k ohrevu plynu.

Obr. 2.2 Závislosť teploty látky od množstva dodávanej tepelnej energie

15

2.1.1 Skupenské teplo topenia

Skupenské teplo topenia, Lm, je množstvo tepelnej energie, ktoré je potrebné dodať pevnej

látke pri teplote topenia, aby sa zmenila na kvapalnú látku rovnakej teploty. Množstvo

tepla, ktoré je potrebné dodať 1 kilogramu látky sa nazýva merné skupenské teplo topenia,

resp. entalpia topenia Δhm a je to materiálová konštanta. Medzi roztopenou frakciou látky

am s hmotnosťou látky m a skupenským teplom topenia Lm platí vzťah [2]:

𝐿𝑚 = 𝑚𝑎𝑚𝛥ℎ𝑚 (2.2)

Mnohé vedecké články sa zaoberajú využitím skupenského tepla topenia látky na

uskladnenie solárneho alebo odpadového tepla vďaka vysokej akumulačnej energetickej

hustote niektorých materiálov. Izotermická akumulačná schopnosť získava rovnako veľkú

pozornosť. Navyše, látky využívajúce fázovú premenu sú schopné akumulovať rovnaké

množstvo tepelnej energie v menších zásobníkoch oproti klasickým metódam ako

uskladňovanie vo forme citeľného tepla [2,3,4].

2.1.2 Skupenské teplo vyparovania

Skupenské teplo vyparovania je množstvo tepelnej energie, ktoré je potrebné dodať

kvapalnej látke pri teplote varu, aby sa zmenila na plynnú látku rovnakej teploty. Fázové

prechody medzi kvapalinou a plynom majú niekoľko násobne vyššie skupenské teplo ako

je entalpia topenia, ale ich obrovské objemové zmeny sú spojené s technickými

problémami. Akumulácia tepla pomocou skupenského tepla vyparovania by vyžadovala

zariadenie s veľmi veľkým objemom, ktoré by skladovalo veľké množstvo pary. Taktiež

by muselo odolávať vysokým tlakom [5]. Kvôli týmto problémom, ktoré by systém robili

komplexným a nepraktickým, sa na uskladnenie latentného tepla používajú len látky

využívajúce fázovú premenu topenie/tuhnutie.

2.2 Vlastnosti látok využívajúcich fázovú premenu na akumuláciu tepla

Materiály, ktoré využívajú fázovú premenu medzi pevným a kvapalným skupenstvom

a tým prijímajú alebo uvoľnujú veľké množstvo skupenského tepla sa označujú PCM (z

anglického Phase Change Materials). Táto skratka je zavedená pre všetky látky, ktoré majú

potenciál alebo sa už využívajú v rôznych aplikáciách, kde je potrebné uskladňovať teplo

a preto ju v práci budem často používať.

Kritériom výberu PCM sú vhodné tepelno-fyzikálno-chemické vlastnosti, ktoré môžu byť

rôzne pre daný typ aplikácie. Uskladňovanie nízkopotenciálového tepla zo slnečných

16

kolektorov vyžaduje také PCM, ktoré má teplotu topenia mierne vyššiu teplote, na ktorú sa

ohrieva TÚV (teplá úžitková voda). Na stabilizáciu teploty pomocou sádrokartónových

PCM dosiek sa využívajú látky s teplotou topenia blízkou teplote v miestnosti. Znalosť

všetkých vlastností je rovnako dôležitá. Stručne napísané, PCM by malo spĺňať

nasledujúce vlastnosti:

2.2.1 Tepelné vlastnosti

Vhodná teplota topenia.

Vysoká merná tepelná kapacita.

Vysoké skupenské teplo topenia.

Vysoká tepelná vodivosť v obidvoch fázach.

Operačná teplota ohrievania alebo chladenia by mala odpovedať teplote topenia PCM.

Vysoká merná tepelná kapacita v tuhom a rovnako v kvapalnom skupenstve poskytuje

dodatočné uskladnenie citeľného tepla. Skupenské teplo topenia by malo byť čo najvyššie

vzhľadom na jednotku objemu, aby sa minimalizovala fyzická veľkosť zásobníka. S tým je

spojená aj vysoká hustota látky. Vysoká tepelná vodivosť zabezpečuje možnosť rýchleho

nabíjania a výbíjania zásobníka [2,3].

2.2.2 Fyzikálne vlastnosti

Vysoká hustota.

Žiadne alebo malé podchladenie počas tuhnutia.

Nízky tlak pár.

Malá zmena objemu pri fázovej premene.

Materiály s vysokou hustotou umožňujú využiť zásobník s menšími rozmermi. Mnoho

z anorganických PCM majú tendenciu podchladenia. Podchladenie znamená, že sa látka

pri tuhnutí udržiava v kvapalnom skupenstve s teplotou nižšou ako je normálna teplota

tuhnutia. Kvôli typicky malým teplotným intervalom v aplikáciách uskladňovania tepla má

podchladenie mimoriadne negatívny vplyv na výkon systému [6]. Nízky tlak pár a malá

zmena objemu pri fázovej premene vedie k redukcii zložitosti geometrie zásobníka,

v ktorom by sa ináč nadmerne zvyšoval tlak [2,3].

2.2.3 Chemické vlastnosti

Predĺžená chemická stabilita.

Kompatibilita s konštrukčnými materiálmi zásobníka.

17

Netoxicita.

Nehorľavosť a neexplozívnosť.

Kontinuálne tuhnutie a topenie môže viesť k degradácii PCM v jeho chemickom zložení

a preto je veľmi žiadúce, aby materiál udržal svoju chemickú stabilitu aj po dlhšej dobe.

Od PCM sa neočakáva, aby nejako reagoval s konštrukčnými materiálmi kvôli životnosti

a aj bezpečnosti, a z rovnakého dôvodu nesmie byť horľavý, explozívny, toxický alebo

iným spôsobom zaťažujúci životné prostredie [2,3].

2.2.4 Ekonomické vlastnosti

Hojný a dostupný.

Nie príliš drahý.

Nemá zmysel využívať také materiály, ktoré sú ťažko dostupné, alebo ich výroba je

náročná a veľmi drahá, pretože finančná stránka je mnohokrát na prvom mieste.

2.3 Klasifikácia PCM

Dostupných je hromada PCM (organické, anorganické a ich eutektické zmesi ), na ktoré sa

môžeme pozerať z pohľadu teplôt topenia a skupenského tepla. Aj keď ich teplota topenia

leží v potrebnom operačnom rozmedzí, mnoho z PCM neuspokojuje kritériá, ktoré

vyžaduje adekvátne zariadenie akumulujúce tepelnú energiu. Žiaden materiál totiž nemá

všetky požadované vlastnosti. Niektoré termo-fyzikálne vlastnosti dostupných materiálov

sa dajú vylepšiť vhodnou zmenou v dizajne zásobníka alebo použitím prímesi. K tomu sa

ale sa ešte vrátim neskôr. V nasledujúcich riadkoch budú popísané jednotlivé skupiny

PCM spolu s ich vlastnosťami.

Obr. 2.3 Klasifikácia PCM s fázovou premenou topenie/tuhnutie

18

2.3.1 Organické látky

2.3.1.1 Parafíny

Parafíny sú nasýtené uhľovodíky, ktoré možno vo všeobecnosti zapísať v tvare CnH2n+2. Sú

to široko využívané solid-liquid PCM, majúce vysoké skupenské teplá s úzkym intervalom

teplôt topenia a sú považované za relatívne lacné, dostupné, dlhotrvácne, nekorozívne,

netoxické a ekologicky neškodné [4,7,8]. Medzi ďaľšie pozitívne vlastnosti parafínov patrí

dobrá stabilita aj po veľkom množstve cyklov topenie/tuhnutie a menšia ako 10%

objemová zmena počas fázovej premeny [4]. Ich skupenské teplo topenia sa pohybuje

v rozmedzí 200-250 kJ/kg a komerčne vyrábaných lacných parafínových voskov na úrovni

okolo 200 kJ/kg [8].

Teplota topenia parafínov rastie s rastúcou dĺžkou uhľovodíkového reťazca ako vidieť

z tab. 2.1. Komerčne vyrábané parafínové vosky sú získavané ropnou destiláciou a nie je to

čistá substancia, ale kombinácia rôznych uhľovodíkov [5]. Čisté parafínové vosky sú drahé

a preto sa používajú práve technické parafínové vosky [8]. Teplota tuhnutia je mierne

nižšia ako teplota topenia, a teda parafíny podliehajú podchladeniu, ale len v zanedbateľnej

miere [7,8]. Najvýznamnejšou nevýhodou parafínov je nízka tepelná vodivosť (0,1-0,3

W/mK), ktorá limituje ich aplikovateľnosť [3,4,7,8].

Tab. 2.1 Parafíny s potenciálom využitia ako PCM

Parafín Počet uhlíkových atómov

Teplota topenia (⁰C)

Merné skupenské teplo (kJ/kg)

Hustota pri 20 ⁰C (kg/m3)

Merná tepelná kapacita pri 25 ⁰C(S) a 80 ⁰C(L) (kJ/kg.K)

Zdroj

n-ikozán 20 36,6 247 785 1,93(S) 2,33(L) [4], [9]

n-henkozán 21 40,2 213 788 1,93(S) 2,36(L) [4], [9]

n-dokozán 22 44 249 791 1,93(S) 2,38(L) [4], [9]

n-trikozán 23 47,5 234 793 1,93(S) 2,38(L) [4], [9]

n-tetrakozán 24 50,6 255 799 1,93(S) 2,38(L) [4], [9]

n-pentakozán 25 53,5 238 801 1,90(S) 2,32(L) [4], [9]

n-hexakozán 26 56,3 256 803 1,85(S) 2,24(L) [4], [9]

n-heptakozán 27 58,8 235 802 1,92(S) 2,44(L) [4], [9]

n-oktakozán 28 61,2 254 806 1,91(S) 2,38(L) [4], [9]

n-nonakozán 29 63,4 239 808 1,90(S) 2,45(L) [4], [9]

n-triakontan 30 65,4 252 806 1,90(S) 2,46(L) [4], [9]

19

2.3.1.2 Mastné kyseliny

Záujem o mastné kyseliny (CH3(CH2)2n-COOH) ako PCM pre uskladnenie tepla vzrástol

v poslednej dobe vďaka ich vhodným tepelným vlastnostiam pre nízkoteplotné latentné

uskladňovacie systémy. Preukazujú vysoké skupenské teplo, podobne ako parafíny

a reprodukovateľné správanie pri topení a tuhnutí s malým alebo žiadnym podchladením.

Mastné kyseliny, ich eutektické zmesi a niektoré ich deriváty boli nedávno vyhodnotené

ako sľubné PCM pre skladovanie energie v solárnych systémoch a budovách [4,7]. Naviac,

väčšina mastných kyselín sú komerčne dostupné, netoxické a chemicky stabilné [7].

Nevýhodou mastných kyselín je to, že sú drahšie ako technické parafínové vosky, majú

jemne korozívny účinok a naviac niektoré z nich nepríjemne zapáchajú [4]. Podobne ako

u parafínov, najväčšou nevýhodou mastných kyselín je ich nízka tepelná vodivosť, ktorá

by mala za následok nízku rýchlosť prestupu tepla v zásobníku.

Spomedzi všetkých mastných kyselín má kyselina steárová najlepšie tepelno-fyzikálne

vlastnosti. Vysoké skupenské teplo topenia, vysokú mernú tepelnú kapacitu (2,83S a 2,38

L

kJ/kgK), vysokú hustotu a dobrú chemickú stabilitu. Karaipekli vo svojej práci (2007)

poukázal na zvýšenie tepelnej vodivosti kyseliny steárovej (0,2-0,3 W/mK) s použitím

expandovaného grafitu a uhlíkových vlákien. V oboch prípadoch bol preukázaný takmer

lineárny vzťah medzi tepelnou vodivosťou a hmotnostným pomerom grafit/k.stearová. Pri

pomere 1:9 možno zvýšiť tepelnú vodivosť k. steárovej na hodnotu okolo 1,1 W/mK [10].

Tab. 2.2 Tepelno-fyzikálne vlastnosti mastných kyselín

Mastná kyselina Počet uhlíkových atómov

Teplota topenia (⁰C)


Hustota (kg/m3)

Zdroj

k. kaprinová 10 30-32 153-163 915 [7,11]

k. laurová 12 41-44 183-212 870 [4,7]

k. tridekánová 13 41,4 154 - [7]

k. myristová 14 49-58 167-205 860 [4,7]

k. pentadekánová 15 52-53 178 895 [7,11]

k. palmitová 16 61-64 186-212 942 [4,7]

k. margarová 17 60 172,2 - [7]

k. steárová 18 65-70 196-253 940 [4,7,10]

k. nonadekánová 19 67 192 - [7]

k. arachidonová 20 74 227 - [4]

k. heneikosanová 21 73-74 193 - [7]

20

2.3.1.3 Estery

Najčastejší spôsob ich prípravy, esterifikácia, je reakcia karboxylovej kyseliny

s alkoholom. OH-skupina karboxylovej kyseliny je pritom nahradená organickým zbytkom

vzniknutým z alkoholu po odštiepení vodíka. V prírode sa estery bežne vyskytujú

a spôsobujú niektoré vôňe a príchute ovocia. Väčšina z nich je aj komerčne dostupná vo

veľkých množstvách produkovaných pre polymérový a kozmetický priemysel [4,12].

Estery mastných kyselín sú pomerne nové organické PCM a vo vedeckých publikáciách je

o nich len málo dát. Estery s krátkym reťazcom kyseliny steárovej a kyseliny palmitovej sú

najviac skúmané. Teplota topenia týchto nových materiálov je v rozsahu 20 až 40 ⁰C a ich

skupenské teplo 180 až 200 kJ/kg [12,13].

Estery mastných kyselín s dlhším reťazcom sú ďaľšie nové PCM, ktoré skúmali A.A.

Aydin a H. Okutan [12,13]. Pripravovali ich vo vákuu bez použitia katalyzátora pomocou

myristylalkoholu (1-tetradekanol). Ich teplota topenia bola v rozsahu 38 až 53 ⁰C a ich

skupenské teplo 201 až 222 kJ/kg (tab. 2.3). Medzi ich dobré vlastnosti patrí žiadna

významná tendencia podchladenia medzi teplotou topenia a tuhnutia a stabilita po 1000

termálnych cykloch.

Tabuľka 2.3 Tepelno-fyzikálne vlastnosti esterov mastných kyselín s dlhším reťazcom

Ester Skrátene Teplota topenia (⁰C)


Hustota (kg/m3)

Zdroj

myristyl laurate 14-12 38,05 207,9 860 [13,11]

tetradecyl tridecanoate 14-13 40,01 207,89 - [12]

myristyl myristate 14-14 41,6 210,43 859 [13,11]

tetradecyl pentadecanoate 14-15 45,43 214,81 - [12]

tetradecyl heptadecanoate 14-17 46,68 217,19 - [12]

myristyl pamitate 14-16 48,03 213,85 858 [13,11]

myristyl stearate 14-18 49,58 221,8 858 [13,11]

tetradecyl nonadecanoate 14-19 50,19 203,23 - [12]

myristyl arcihidate 14-20 52,84 201,34 - [13]

2.3.1.4 Polyetylénglykoly

Polyetylénglykoly (PEG) alebo polyetylénoxidy sú organické látky s chemickým vzorcom

HO-CH2-(CH2-O-CH2-)n-CH2-OH. Vyrábajú sa polymerizáciou etylénoxidu a sú komerčne

dostupné v širokej škále molárnych hmotností. Často sa označujú číslom, ktoré vyjadruje

21

ich molárnu hmotnosť, napr. PEG 400 je polyetylénglykol s n = 9, a jeho priemerná

molárna hmotnosť je 400 g/mol.

PEG boli skúmané ako PCM pre viacero aplikácií spojených s uskladňovaním energie

vďaka ich vhodným vlastnostiam ako je vysoké skupenské teplo, chemická stabilita,

nehorľavosť, nekorozívnosť, netoxicita a finančná dostupnosť. Na druhej strane je u PEG

výrazne prítomný efekt podchladenia. Napr. PEG 400 sa topí pri teplote 3,2 ⁰C a tuhne pri

teplote -24 ⁰C. Dlhé reťazce PEG zťažujú proces kryštalizácie čo vedie k takému

výraznému rozdielu. Ďaľším príkladom je PEG 20000, ktorý tuhne pri teplote 37,7 ⁰C čo je

zhruba polovica jeho teploty topenia 68,7 ⁰C. Prevencia podchladenia popri zlepšovaní

tepelnej vodivosti (≈0,3 W/mK) je preto u PEG dôležitým problémom pre ich budúce

použitie v uskladňovaní tepelnej energie [7].

Tabuľka 2.4 Tepelno-fyzikálne vlastnosti PEG

Polyetylénglykol Teplota topenia (⁰C)

Teplota tuhnutia (⁰C)


Hustota pri 20 ⁰C (kg/m3)

Zdroj

PEG 400 3,2 -24 91,4 1130 [7,14]

PEG 600 22,2 -7 108,4 1130 [7,14]

PEG 1000 32 28 149,5 1200 [7,14]

PEG 1500 46,5 39-40 176,3 - [7]

PEG 2000 51 35 181,4 - [7]

PEG 3400 56,6 29 174,1 - [7]

PEG 4000 59,7 22 189,7 1200 [7,14]

PEG 6000 64,8 33 189 - [7]

PEG 10000 66 38 189,6 1200 [7,14]

PEG 20000 68,7 38 187,8 - [7]

2.3.2 Anorganické látky

2.3.2.1 Hydráty solí

Hydráty solí sú významná skupina anorganických PCM so všeobecnou formulou

AB.nH2O. Sú to soli obsahujúce kryštalizačnú vodu. Počas ich fázovej premeny sa

objavuje dehydratácia soli, ktorej výsledkom je hydrát soli obsahujúci niekoľko

zvyškových molekúl vody [4]:

AB.nH2O → AB.mH2O + (n-m)H2O

22

alebo dehydrovaná forma soli:

AB.nH2O → AB + nH2O

Hydráty solí sú veľmi atraktívne materiály pre uskladňovanie tepla vďaka ich vynikajúcim

tepelno-fyzikálnym vlastnostiam ako je vysoká hustota, vysoká entalpia fázovej premeny

a relatívne vysoká tepelná vodivosť (≈0,5 - 0,7 W/mK). Majú vysokú tepelnú kapacitu

vzhľadom na jednotku objemu (≈350 MJ/m3), ktorá je oveľa vyššia v porovnaní

s organickými PCM [8]. Možnosť širšieho výberu teplôt topenia a mierne náklady až na

niekoľko výnimiek robia hydráty solí taktiež lákavými.

Jeden z hlavných problémov, ktorý bráni použiť hydráty solí v zariadeniach

uskladňujúcich teplo je fázová segregácia. Tá je zapríčinená rozdielom hustôt medzi

vzniknutou vodou a soľou pri topení. Výsledkom je potom sedimentácia a zlá kryštalizácia

oddelených zložiek čo spôsobuje vážne technické problémy v praktických aplikáciách

[4,15]. Ďaľšou nevýhodou hydrátov solí je to, že sa vyznačujú významným podchladením

a korozívnym účinkom na kovové komponenty uskladňovacích zariadení [4].

Segregácia a sedimentácia ťažšej zložky sa dá minimalizovať pridaním želírovacieho

činidla alebo zahusťovadla. Pridanie želírovacieho (napr. polymérneho) materiálu vedie

k formovaniu trojrozmernej siete, ktorá bráni sedimentácii soli, zatiaľ čo zahusťovadlo

zvyšuje viskozitu hydrátu soli a pomáha udržať jeho molekuly pokope [15].

2.3.2.2 Anorganické látky s vysokou teplotou topenia

PCM s vysokou teplotou topenia majú potenciál využitia v koncentrujúcich slnečných

elektrárňach, ktoré budú v budúcnosti tvoriť stále vyšší podiel v produkcii elektrickej

energie vo svete. Technológie uskladňovania tepelnej energie v týchto elektrárňach

využívajú citeľné teplo niektorých materiálov, aby riešili časový nesúlad medzi dodávkami

a dopytom po elektrickej energii. Veľký potenciál v tejto oblasti majú PCM s vysokou

teplotou topenia, ktoré umožňujú skladovať viacej energie v menších objemoch

v porovnaní s materiálmi využívajúcimi citeľné teplo. Do tejto kategórie patria

anorganické látky ako soli, kovy, zliatiny a hydroxidy.

Väčšina anorganických solí (tab. 2.6) s potenciálom využitia ako PCM sú na báze

chloridov, dusičnanov a uhličitanov. Ich cena je nízka a zároveň majú vysokú tepelnú

23

kapacitu vzhľadom na jednotku objemu. Nevýhodou solí je to, že majú vysoký korozívny

účinok, nízku tepelnú vodivosť a zmena ich objemu pri fázovej premene je vysoká [16].

Dvojné a trojné zliatiny prvkov Al, Cu, Mg, Zn a Si (tab. 2.6) sú veľmi výhodné pre

vysokoteplotné uskladňovanie tepla, pretože poskytujú veľmi vysokú entalpiu fázovej

premeny na jednotku hmotnosti aj objemu. Naproti anorganickým soliam majú oveľa

vyššiu tepelnú vodivosť, menšiu korozívnosť, menšie objemové zmeny počas fázovej

premeny a žiadne podchladenie, avšak ich cena ďaleko presahuje soli na báze chloridov,

dusičnanov a uhličitanov [4,16].

Na obr. 2.4 sú znázornené materiály, ktoré môžu byť použité ako PCM spolu s rozsahom

ich typických teplôt topenia a skupenského tepla na jednotku objemu. Obrázok zahŕňa

anorganické soli, hydráty solí a pre porovnanie aj organické látky. Aplikovateľnosť

jednotlivých skupín látok je predovšetkým daná ich teplotou topenia. Pre ohrev vody

a vykurovanie zo solárnych kolektorov je možné využiť organické látky a hydráty solí

s teplotou topenia v rozsahu 30 ⁰C až 90 ⁰C. Látky s teplotou vyššou ako 300 ⁰C možno

uplatniť v koncentrujúcich slnečných elektrárňach [8,16].

Obr. 2.4 Klasifikácia PCM a ich typický rozsah teplôt topenia a skupenského tepla v MJ/m3

[17]

24

Tab. 2.5 Tepelno-fyzikálne vlastnosti hydrátov solí

Hydrát soli Teplota topenia (⁰C)


Hustota (kg/m3)

Zdroj

LiClO3.3H2O 8 253 1720 [4,18]

KF.4H2O 18,5-19 231 1455S 1447L [4,18]

Mn(NO3)2.6H2O 25,3 125,9 1795S 1738L [4,18]

CaCl2.6H2O 29 190,8 1802S 1562L [18]

LiNO3.3H2O 30 296 - [18]

Na2SO4.10H2O 32,4 254 1485S [18]

Na2CO3.10H2O 33 247 1442 [4,18]

NaCH3COO.3H2O 55,6-56,5 237-243 [4]

CaBr2.6H2O 34 115,5 2194S 1956L [4,18]

Na2HPO4.12H2O 35-36 279,6 1520 [4,18]

Zn(NO3)2.6H2O 36 146,9 1937S 1828L [4,18]

Zn(NO3)2.4H2O 45,5 - - [4]

Zn(NO3)2.2H2O 54 - - [4]

Na2S2O3.5H2O 48 201 1750 [4,18]

Na(CH3COO).3H2O 58 226 1450 [4]

Cd(NO3)2.4H2O 59,5 - - [4]

Na2B4O7.10H2O 68,1 - - [4]

Na3PO4.12H2O 69 - - [4]

Na2P2O7.10H2O 70 184 - [4]

Ba(OH)2.8H2O 78 265,7 2070S 1937L [4]

(NH4)Al(SO4).6H2O 95 269 - [18]

MgCl2.6H2O 117 169 1569S 1442L [4,18]

Mg(NO3)2.6H2O 89 162,8 1636S 1550L [18]

Tab. 2.6 Tepelno-fyzikálne vlastnosti niektorých anorganických látok s vysokou teplotou

topenia

Látka Teplota topenia (⁰C)


Hustota (kg/m3)

Tepelná vodivosť (W/mK)

Zdroj

SOLI

NaNO3 306 172 2261 0,5 [16]

NaOH 318 165 2100 - [16]

KNO3 335 95 2109 0,5 [16]

KOH 360 150 2040 0,5 [4,16]

Ca(NO3)2 560 145 - - [16]

MgCl2 714 452 2140 - [16]

NaCl 802 420 2160 - [16]

25

Tab. 2.6 Pokračovanie

ZLIATINY

Mg-Zn (46,3/53,7 wt%) 340 185 4600 - [16]

Zn-Al (96/4 wt%) 381 138 6630 - [16]

Mg-Cu-Zn (60/25/15 wt%) 452 254 2800 - [16]

Al-Si-Cu-Mg (64,6/5,2/28/2,2 wt%) 507 374 4400 - [16]

Al-Si-Cu (46,3/4,6/49,1 wt%) 571 406 5560 - [16]

Al-Si (12/86 wt%) 576 560 2700 160 [16]

2.4 Techniky vylepšenia niektorých vlastností PCM

V časti 2.3 som naznačil, že žiadna látka (organická aj anorganická), ktorá by sa mohla

použiť ako akumulačné médium pri uskladňovaní skupenského tepla, nemá všetky

požadované tepelno-fyzikálno-chemické a ekonomické vlastnosti. Všetky popísané

skupiny látok majú pre danú aplikáciu určenú teplotou topenia látky vysoké skupenské

teplo na jednotku objemu oproti látkam, ktoré využívajú na akumuláciu energie citeľné

teplo. Vlastnosti ako chemická stabilita a cena materiálu nemožno ovplyvniť. Spomedzi

vymenovaných látok je však veľa takých, ktoré sú stabilné aj po veľkom množstve cyklov

topenie/tuhnutie a sú aj cenovo dostupné (napr. parafíny). Naproti tomu majú nízku tepelnú

vodivosť alebo tendenciu podchladenia pri tuhnutí. Práve tieto nedostatky obmedzujú ich

využitie v reálnych aplikáciách. V nasledujúcich riadkoch budú popísané techniky ako

vylepšiť tieto vlastnosti, častokrát však na úkor zníženia hustoty akumulovanej energie.

2.4.1 Zvýšenie tepelnej vodivosti PCM a výkonu zásobníka

Vysoká tepelná vodivosť PCM zabezpečuje vyššiu rýchlosť nabíjania aj vybíjania

zásobníka, ktorá je nutná pri využívaní nestálych zdrojov energie ako solárna energia alebo

zachytávanie odpadového tepla. U väčšiny systémov uskladňujúcich tepelnú energiu sa

PCM odovzdáva teplo pomocou výmenníkov tepla (napr. medená špirála), v ktorých prúdi

teplonosná kvapalina (HTF – heat transfer fluid). Prestup tepla z výmenníka k PCM a tiež

cez celé PCM musí pri nabíjaní prebiehať rýchlo, aby rozdiel teplôt HTF na vstupe

a výstupe bol čo najväčší počas celej operácie. Rovnako tak musí byť aj pri vybíjaní.

Keďže väčšina skúmaných PCM má nízku tepelnú vodivosť, rýchlosť nabíjania je

obmedzená. Dá však zvýšiť rozptylom vhodných prímesí s vysokou tepelnou vodivosťou

v PCM alebo zmenou dizajnu v zásobníku. V dostupných vedeckých publikáciách bolo

popísaných mnoho metód. V nasledujúcom texte preto popíšem len tie najbežnejšie.

26

2.4.1.1 Rozptýlené častice

Najviac skúmané prímesy pridávané za účelom zvýšenia tepelnej vodivosti PCM sú častice

uhlíkového zloženia, ako napríklad grafit, grafén, viacstenové uhlíkové nanotrúbky

(MWCNT), uhlíkové vlákna a pod. Ich tepelná vodivosť sa pohybuje v rozmedzí 200 až

5000 W/mK (tab. 2.7). Okrem uhlíku je možné zvýšiť tepelnú vodivosť PCM aj pomocou

prášku nitridu hlinitého [19].

Tab. 2. 7 Fyzikálne vlastnosti uhlíkových prímesí s vysokou tepelnou vodivosťou

Prímes tepelná vodivosť (W/mK)

priemerná hrúbka (nm)

hustota (kgm-3)

Zdroj

Grafit 200 5000 2250 [20]

Grafén 5000 7 2200 [20]

MWCNT 3000 25 2100 [20]

Choi et al [20] porovnali vplyv grafitu, grafénu a MWCNT na tepelnú vodivosť tekutej

kyseliny steárovej. Ako disperzný stabilizátor uhlíkových aditív použili poly vinyl

pyrrolidon. Výsledky ich meraní ukázali, že tepelná vodivosť kyseliny steárovej v prípade

všetkých troch aditív bola vyššia s použitím disperzného stabilizátora ako bez neho. To je

kvôli tomu, že pridanie poly vinylu pyrrolidonu zlepšilo stabilitu rozptýlených nanočastíc.

Inak, uhlík bez stabilizátora po krátkom čase sedimentuje. Na meranie tepelnej vodivosti

tekutej kys. steárovej použili Transient hot-wire metódu pričom pozorovali rast tepelnej

vodivosti PCM s rastúcou objemovou frakciou uhlíkových aditív. Najviac zvyšoval tepelnú

vodivosť grafén, pri jeho 0,1 obj.% v zmesi sa zvýšila tepelná vodivosť kys. steárovej

o 21,5 %. Grafit a MWCNT zvyšovali tepelnú vodivosť kys. steárovej takmer rovnako

o 9,91 % a 10,5 %, príslušne.

Obr. 2.5 Štruktúra uhlíkových aditív – zľava jednoatómová planárna vrstva uhlíkov (grafén),

vrstvená planárna štruktúra (grafit) a koaxiálna štruktúra uhlíkových trubiek (MWCNT)

[21-23]

27

Zvyšovanie pomeru uhlíkových aditív na jednej strane zvyšuje tepelnú vodivosť tekutého

PCM, ale zároveň zvyšuje aj jeho viskozitu čím bráni prirodzenej konvekcii. To nakoniec

môže viesť aj k zníženiu rýchlosti odovzdávania tepla v zásobníku. V ďaľšom experimente

Choi et al [20] porovnávali rýchlosť odovdzávania tepla pre rôzne koncentrácie (0 – 5,5

obj.%) uhlíkových aditív. Pri grafite pozorovali najväčšiu rýchlosť vybíjania (pri 5,5

obj.%) a teda prišli k záveru, že grafit je najperspektívnejšie aditívum pre zvýšenie

rýchlosti tepelného prenosu tekutej kys. steárovej aj napriek tomu, že grafén najviac

zvyšuje tepelnú vodivosť.

Tepelnú vodivosť kys. steárovej v pevnom skupenstve rovnako ako v tekutej fáze zvyšuje

rastúca koncentrácia uhlíkových aditív. Napríklad tepelná vodivosť čistej kys. steárovej je

okolo 0,26 W/mK a je zvýšená na 0,45; 0,35 a 0.75 W/mK príslušne pre MWCNT, grafén

a grafit s 1 obj.% [20].

2.4.1.2 Rebrované výmenníky

Prestup tepla od výmeníka k PCM sa dá zvýšiť aj zväčšením prestupnej plochy. Rebrá

pripojené na výmenník tak zväčšujú plochu, a rýchlosť nabíjania aj vybíjania je vyššia ako

bez nich. Takáto konštrukčná zmena výmenníkov tepla je jednoduchá, ľahko

fabrikovateľná a má aj nízku cenu [24].

Agyenim et al [25] porovnávali tri typy výmenníkov ako na je znázornené na obr. 2.6

uložených v koncentrických tubách naplneních erytritolom ako PCM s teplotou topenia

117,7 ⁰C. Všetky výmenníky boli vyrobené z medi a počet kruhových a pozdĺžnych rebier

bol rovnaký (8). Hrúbka rebier bola 1 mm a ich objem znížil množstvo uloženého PCM len

o 0,7 %. Na základe ich experimentálnych výsledkov je najviac odporúčaný výmenník

s pozdĺžnymi rebrami (obr. 2.6 (c)), pretože dosiahol najlepší výkon.

Obr. 2.6 Prierez výmenníkmi (a) systém bez rebier (b) kruhové rebrá (c) pozdĺžne rebrá [24]

28

Efekt počtu, dĺžky a hrúbky rebier na rýchlosť tuhnutia PCM pri vybíjaní skúmali

experimantálne a numericky Ismail et al [26]. Na záhlade ich výsledkov, hrúbka rebier má

relatívne malý vplyv na čas potrebný k zmene fázy PCM. Dĺžka a počet rebier veľmi

pozitívne ovplyvňujú čas potrebný k zmene fázy PCM.

2.4.1.3 PCM kapsulácia

Kapsulácia je proces pokrytia PCM (tvoriaci jadro kapsulovaného PCM) vhodnou

povrchovou vrstvou (materiál tvoriaci obal kapsulovaného PCM). Primárny účel

kapsulovania je udržať pevnú/kvapalnú fázu PCM izolovanú od okolia. Výhodou je teda

nereaktívnosť PCM s okolím, flexibilita pri častých fázových premenách a zvýšenie

rýchlosti prestupu tepla [27]. Najčastejšie sa ako jadro kapsulovaného PCM využívajú

parafíny.

Kvôli jemným objemovým zmenám pri fázových premenách, ktoré generujú tlak, musí byť

škrupina dostatočne silná. Podstatne tenká škrupina má nižšiu štruktúrnu a termálnu

pevnosť a nadmerná hrúbka redukuje množstvo PCM uloženého vo vnútri [27]. Využívajú

sa hlavne stabilné povrchové vrstvy (zvyčajne polymérne materiály). Napríklad

poly(metylmetakrylát) má vysokú odolnosťa vďaka ľahkej manipulácii a nízkej cene je

preferovaný aj v niekoľkých priemyselných aplikáciách. Iné povrchové materiály, ktoré sa

môžu použiť na kapsuláciu parafínov sú polymočovina, poly(n-butylakrylát), polystyrén,

polybutyl methylakrylát, atď [28].

V závislosti od veľkosti, kapsulované PCM možno rozdeliť na:

makro (viac ako 1 mm),

mikro (0-1000 μm) a

nano (0-1000 nm)

Makrokapsulácia je bežný spôsob zapuzdrenia PCM pre účely uskladnenia tepla. Tvar

puzdra môže byť sférický, rúrkový, valcový alebo obdlžníkový. Kovové puzdro je

preferované, ak je kritériom vysoký prenos tepla, inak, plastové puzdrá sa bežne používajú.

Firmy ako Climator alebo Rubitherm produkujú takéto makrokapsulované PCM.

Produkcia mikrokapsulovaného PCM je omnoho komplexnejšia ako makrokapsulovaného

PCM, keďže veľkosť padá pod 1 mm. Takáto kapsulácia však ústi vo vyššom pomere

povrchovej plochy k objemu, preto rýchlosť prestupu tepla je vyššia. Výhodou je aj menšia

reaktivita PCM s obalom kapsule. Nanokapsulácia je zatiaľ len na laboratórnej úrovni [27].

29

Sú dve hlavné metódy výroby mikrokapsulovaného PCM, fyzikálne a chemické (obr. 2.7).

Fyzikálne metódy produkujú relatívne veľkorozmerné (100μm a viac) a drsné kapsule

oproti chemickým [29]. Vďaka lepším vlastnostiam sú preto mikrokapsulované PCM

produkované hlavne chemickými metódami, najčastejšie používané sú in-situ

polymerizácia, medzifázová polymerizácia a koacervácia [30].

Obr. 2.7 Diagram zobrazujúci rozdielne výrobné techniky mikrokapsulovaného PCM

Mikrokapsulované PCM možno využiť v mnohých aplikáciách využívajúcich akumuláciu

tepla. V textilnom priemysle sa využívajú pri výrobe termo-regulujúcich vlákien.

V stavebníctve sa najčastejšie importujú do omietok zvyšujúcich tak ich tepelnú kapacitu.

Ak je mikrokapsulované PCM rozptýlené v nosnej tekutine, napr. vo vode, vzniká kašovitá

suspenzia označovaná ako MPCS (z anglického microencapsulated phase change material

slurry). MPCS môže byť použité ako teploakumulačný materiál aj ako teplonosné médium

[30].

Obr. 2.8 Rastrovacia elektrónová mikroskopia, mikrokapsule PCM vyrobené koacerváciou

[31]

30

2.4.2 Redukcia podchladenia

Podchladenie je proces znižovania teploty tekutej fázy pod teplotu tuhnutia bez výskytu

tuhej fázy. Tento jav nie je žiadúci v uskladňovaní skupenského tepla, pretože rozširuje

rozsah operačnej teploty v systéme [32]. Jeho redukcia je spojená s potrebou kryštálovej

nukleácie. Tekutá látka nachádzajúca sa v stave s teplotou nižšou ako je jej štandardná

teplota tuhnutia kryštalizuje v prítomnosti zárodočného kryštálu alebo jadra (nukleačné

činidlo), okolo ktorého sa kryštálová štruktúra môže ďalej formovať a rásť. Tento jav sa

nazýva heterogénna nukleácia. Bez nukleačného jadra sa tekutá fáza udržiava až do

teploty, pri ktorej sa objaví homogénna nukleácia [7].

Obr. 2.9 Efekt podchladenia, vľavo: malé podchladenie a nukleácia, vpravo: silné

podchladenie bez nukleácie [17]

Najbežnejší spôsob ako sa zbaviť podchladenia je pridanie nukleačného jadra do PCM

a vytvoriť tak priestor pre heterogénnu nukleáciu. Nukleačné jadrá sú schopné redukovať

podchladenie typicky na niekoľko K (obr. 2.9 vľavo). Väčšina z nich sú materiály

s podobnou kryštalickou štruktúrou ako PCM v tuhej fáze. Umožňujú tak formáciu tuhej

fázy PCM na ich povrchu. Problémom tejto metódy je však to, že látky s podobnou

kryštalickou štruktúrou majú aj podobnú teplotu topenia. Väčšina nuklečných jadier je

stabilná len do teploty 10 K až 20 K nad teplotu topenia PCM [17].

Podchladenie sa môže objaviť aj u takých látok, u ktorých sa zvyčajne nevyskytuje, napr.

parafíny. V mikrokapsulách sú ich objemy na úrovni mikrometrov. PCM sa však

v mikroskopických rozmeroch môže správať rozdielne ako v makroskopických.

Z nukleačnej teórie, podchladenie je v malých objemoch viac výraznejšie ako vo veľkých.

Preto parafíny, ktoré nie sú normálne podchladzované, v mikrokapsulách podchladzované

môžu byť [32].

31

3 Experimentálna časť

V tejto kapitole sa nachádza podrobný technický popis použitých zariadení a materiálov,

z ktorých sa skladá celá experimentálna aparatúra zostrojená na Fakulte matematiky,

fyziky a informatiky Univerzity Komenského v Bratislave. Znázornená je aj schéma

experimentálneho zapojenia a vypočítaná odhadovaná tepelná kapacita zásobníka tepla.

V časti metódy analýzy rozoberiem metódu vyhodnocovania nameraných údajov,

pomocou ktorých sa získajú prvotné výkonové charakteristiky zásobníka počas niekoľkých

dní ako aj informácia o množstve uskladneného tepla.

3.1 Použité zariadenia a materiály

3.1.1 Vákuové slnečné kolektory

Zdrojom tepla, ktorým je zásobník nabíjaný, je slnečné žiarenie zachytávané pomocou

vákuových trubicových slnečných kolektorov (heat pipe) od firmy energiaSlnka.sk. Na

vnútorných trubiciach týchto kolektorov je nanesená vysoko selektívna absorbčná vrstva

absorbujúca slnečné spektrum. Získané teplo sa odvádza pomocou hliníkových lamiel do

medených trubičiek, v ktorých sa vyparuje ohrievaná kvapalina. Do rozvodnej siete je

nakoniec teplo dodávané pri kondenzácii tejto kvapaliny v kondenzátore (obr. 3.1).

Vonkajšia trubica je tvorená borosilikátovým sklom a od vnútornej trubice je oddelená

vákuom, vďaka ktorému sú tepelné straty vedením minimálne a preto tieto kolektory môžu

získavať teplo aj pri veľmi slabom slnečnom žiarení (difúzne žiarenie) alebo pri veľmi

nízkych teplotách. Základné parametre heat pipe kolektora sú zhrnuté v tab. 3.1.

Obr. 3.1 Vákuové trubicové slnečné kolektory použité v experimentálnej aparatúre [33]

Súčasťou experimentálnej aparatúry sú dva vákuové trubicové kolektory, z ktorých každý

má absorbčnú plochu 2,448 m2 a pozostáva z 30 trubíc (obr. 3.1 vpravo). Orientované sú

32

na juh so sklonom 30⁰ a 90⁰. Kolektory sú umiestnené na sklenníku na západnej strane

fakulty. Od východu sú preto tienené budovou fakulty zhruba do 11:30. To zapríčiňuje

pokles množstva získanej tepelnej energie počas slnečných dní.

Každý kolektor má vlastný rozvodný solárny okruh, ktorý pozostáva z rozvodných trubíc,

teplonosnej kvapaliny, obehového čerpadla, expanznej nádrže, meracej techniky

a výmenníkov tepla.

Tab. 3.1 Parametre použitých vákuových trubicových kolektorov [33]

Absorbcia > 0,92

Vyžarovanie < 0,08

Vákuum < 5*10-3 Pa

Životnosť > 15 rokov

Absorbčná plocha 2,448 m2

Denná efektivita > 55 % (> 42 % v zime)

3.1.2 Teplonosná kvapalina

Teplonosná kvapalina (HTF) zabezpečuje prenos tepla od kolektorov do zásobníka. Pri

získavaní tepelnej energie je teplota vystupujúcej kvapaliny z kolektora vyššia ako jej

teplota pri vstupe. Teplotný rozdiel závisí od množstva slnečného žiarenia dopadajúceho

na kolektor a od prietoku. Pri podstatne vyššom prietoku je čas zdržania teplonosnej

kvapaliny v kolektore nižší a preto je aj teplotný rozdiel nižší.

Ďalej, pri vstupe do zásobníka je teplota kvapaliny vyššia ako na výstupe. To platí, ak je

zásobník v nenabitom stave. Množstvo odovzdaného tepla závisí od prietoku, hustoty,

mernej tepelnej kapacity a od teplotného rozdielu HTF. Pri skúmaní s akou rýchlosťou sa

zásobník nabíja je preto potrebné merať jej teplotu na vstupe/výstupe a prietok. Rovnako je

potrebné vedieť ako sa mení hustota a merná tepelná kapacita HTF s teplotou.

Použitá teplonosná kvapalina Solaren® P plus je od firmy Velvana a.s. Je to netoxická,

biologicky odbúrateľná kvapalina vyrobená na báze 1,2-propandiolu, vody, inhibítorov

korózie, stabilizátorov a odpeňovadla. Jej riedením s vodou možno docieliť rôznu teplotu

tuhnutia [34]. V experimentálnom zariadení je použitá 100% koncentrácia kvapaliny

s teplotou tuhnutia -30⁰C. Na obr. 3.2 je znázornená teplotná závislosť mernej tepelnej

kapacity Solarenu® P plus (100 % koncentrácia) získaná z pribaleného technického listu.

33

Závislosť je fitovaná lineárnou funkciou, ktorá dobre koreluje so získanými bodmi.

Z fitovania, vzťah pre mernú tepelnú kapacitu teplonosnej kvapaliny je:

𝑐𝐻𝑇𝐹(𝑇) = 0,0057 ∗ 𝑇[0𝐶] + 2,3466 (3.1)

Na obr. 3.3 je znázornená aj teplotná závislosť hustoty použitej HTF (100 % koncentrácia).

Závislosť je fitovaná polynomickou funkciou druhého stupňa s vysokým korelačným

koeficientom. Z fitovania, vzťah pre hustotu teplonosnej kvapaliny je:

𝜌𝐻𝑇𝐹(𝑇) = −0,0011 ∗ 𝑇[0𝐶]2 − 0,6345 ∗ 𝑇[0𝐶] + 1071,4 (3.2)

Obr. 3.2 Teplotná závislosť mernej tepelnej kapacity Solarenu® P plus

Obr. 3.3 Teplotná závislosť hustoty Solarenu® P plus

y = 0,0057x + 2,3466 R² = 0,9998

2

2,1

2,2

2,3

2,4

2,5

2,6

2,7

2,8

2,9

3

-20 0 20 40 60 80 100

c HTF

[kJ

/kg.

K]

T [⁰C]

Merná tepelná kapacita

y = -0,0011x2 - 0,6345x + 1071,4 R² = 0,9991

980

1000

1020

1040

1060

1080

1100

-20 0 20 40 60 80 100

ρ H

TF[k

g/m

3]

T [⁰C]

Hustota

34

3.1.3 Obehové čerpadlá

Slúžia na pohon HTF v solárnom okruhu. Použité sú dva typy od firmy Weberman s tromi

stupňami otáčok. Typ 25-40-180 s výkonmi 35/45/65 W je zapojený v solárnom okruhu s

90⁰ skloneným vákuovým kolektorom. Niektoré jeho parametre, získané z pribaleného

technického listu, sú zhrnuté v tab. 3.2.

Typ 25-60-180 s výkonmi 55/70/100 W je zapojený v okruhu s 30⁰ skloneným vákuovým

kolektorom. Kolektor sklonený pod uhlom 30⁰ dosahuje maximálne slnečné zisky od

marca až po september. V tomto období dopadá v našej zemepisnej šírke na zemský

povrch aj maximálne množstvo slnečného žiarenia. Preto je k tomuto kolektoru pripojené

čerpadlo s vyšším výkonom, aby sa mohol použiť vyšší prietok v prípade, keď by bolo

nutné rýchlejšie odvádzať teplo z kolektora.

Obr. 3.4 Obehové čerpadlo zapojené v experimentálnom zariadení s ručným nastavovaním

stupňa otáčok a s pripojeným vypínačom

Tab. 3.2 Parametre použitých obehových čerpadiel

Typ 25-40-180 25-60-180

Rozsah prevádzky 0,2 - 3,5 m3/h 0,2 - 4,5 m3/h

Výtlačná výška max. 3,8 m max. 5,5 m

Teplota média min. +2 ⁰C, max +110 ⁰C min. +2 ⁰C, max +110 ⁰C

Maximálny tlak 10 bar 10 bar

El. príkon 35/45/65 W 55/70/100 W

3.1.4 Meracia technika

Dôležitou súčasťou experimentálnej aparatúry je meracia technika, ktorá pozostáva

z budíkov merajúcich teplotu a tlak HTF na vstupe/výstupe do/zo zásobníka

35

a prietokomerov merajúcich prietok HTF v obidvoch solárnych okruhoch. Nevýhodou

použitej meracej techniky je to, že nie je digitalizovaná a zber dát počas dňa nemožno

priamo získavať do počítača. Na zber dát však možno využiť časovač pripojený k

digitálnemu fotoaparátu s nastavovateľným intervalom fotenia.

3.1.4.1 Tlakomer a teplomer

Budíky merajúce teplotu a tlak sú od talianskej firmy Comisa. Pretlak HTF oproti

atmosfére možno merať v rozsahu 0 až 4 bar (1 bar ≈ 1 atm.) s najmenším dielikom 0,1

bar. Tento parameter má skôr upozorňujúci charakter, aby v rozvodnej sieti nedošlo

k neúnosnému pretlaku. Zvyčajne sú jeho hodnoty do 2 barov. Ako ochranný prvok je do

solárnych okruhov umiestnená aj expanzná nádoba, ktorá slúži na vyrovnávanie zmien

objemu kvapaliny spôsobených zmenami jej teploty.

Obr. 3.5 Budíky merajúce teplotu a tlak HTF, vpravo zapojenie v experimentálnom zariadení

Teplotu je možné merať v rozsahu 0 ⁰C až 120 ⁰C s najmenším dielikom 2 ⁰C. Meranie

teploty je dôležité na skúmanie rýchlosti odovzdávania tepla v zásobníku. Preto je potrebné

ju merať aj s príslušnou neistotou. Keďže budeme merať aktuálnu teplotu vždy za rôznych

podmienok a merania sa nebudú opakovať, nevyužijeme štatistickú analýzu opakovaných

meraní. Na určenie štandardnej neistoty merania teploty využijeme metódu typu B (iné ako

štatistické spracovanie údajov).

Použitý teplomer je bimetalový a je to tzv. lineárny merací prístroj, v ktorom súvis medzi

pozorovanou veličinou (výchylka ručičky na teplomery) a meranou veličinou (teplota) je

lineárny (rozťažnosť bimetálového pásika je priamo úmerná teplote). Zdrojom neistôt typu

B u takýchto prístrojov je nepresnosť stupnice a odčítania z nej alebo nepresnosť

v nastavení citlivosti meracieho prístroja [35]. My budeme uvažovať o nepresnosti

36

stupnice 0,5 dielika a teda neistota bude 1 ⁰C. Citlivosť prístroja výrobca neudal.

Maximálna neistota 1 ⁰C nášho teplomera bola overená aj pri kontrole s ortuťovým

teplomerom, ktorého neistota je 0,1 ⁰C. Štandardnú neistotu z maximálnej dostaneme jej

vydelením s príslušným koeficientom (31/2

pre odporúčané rovnomerné rozdelenie) [35].

A teda štandardná neistota v určení teploty T bude:

𝑢(𝑇) =

1

√3𝐶

0 = 0,58 𝐶 0 (3.3)

3.1.4.2 Prietokomer

Prietokomery od firmy Comisa merajú prietok HTF v rozsahu 0 až 5 l/min (litrov za

minútu) s najmenším dielikom 0,5 l/min. Súčasťou prietokomernej jednotky je aj škrtiaci

ventil na regulovanie prietoku (obr. 3.6 vpravo). Prietok kvapaliny ovplyvňuje rýchlosť

nabíjania zásobníka. Navyše určuje množstvo odovzdaného tepla a preto je ho potrebné

merať aj s príslušnou neistotou.

Obr. 3.6 Prietokomer merajúci prietok teplonosnej kvapaliny

Neistotu v meraní prietoku určíme tiež metódou typu B. Výrobca neudal žiadne informácie

o presnosti prietokomeru a na overenie presnosti sme ani neurobili kontrolné meranie

s presným prístrojom. Budeme preto považovať za odhad maximálnej neistoty 0,5 dielika a

teda 0,25 l/min (5 % z meracieho rozsahu). Pre štandardnú neistotu v určení prietoku F

dostaneme:

𝑢(𝐹) =

0,25

√3𝑙/𝑚𝑖𝑛 = 0,14 𝑙/𝑚𝑖𝑛 (3.4)

37

3.1.5 Výmenníky tepla

Výmenníky slúžia ako teplo-prestupná plocha pre HTF. Pri nabíjaní zásobníka sa HTF vo

výmenníkoch ochladzuje a odovzdáva teplo akumulujúce sa v uskladňovacom médiu,

ktoré je v priamom styku s vonkajšou plochou výmenníka. Množstvo uskladneného tepla

za jednotku času je tým väčšie, čím je prestupná plocha väčšia. V experimentálnom

zásobníku tepla sú použité medené výmenníky zatočené do špirály zväčšujúc tak prestupnú

plochu (obr. 3.7). Parametre použitých výmenníkov sú zhrnuté v tab. 3.3.

Obr. 3.7 Výmenníky tepla použité v experimentálnom zásobníku tepla

Tab. 3.3 Parametre výmenníkov tepla

Typ výmenníka špirála

Materiál medená trúbka (Cu)

Tepelná vodivosť 395 W/mK (20⁰C)

Vonk. priemer trúbky 1,5 cm

Vnút. priemer trúbky 1,3 cm

Priemer závitu 23,5 cm

Počet závitov 30

Prestupná plocha cca 1,043 m2

3.1.6 Obal zásobníka

Obal zásobníka je tvaru dutého kvádra s vnútornými rozmermi 1,83m x 0,42m x 1,95 m.

Steny zásobníka sú tvorené hrubou vrstvou zo železobetónu a siporexu s priemernou

hrúbkou 21,5 cm ako je znázornené na obr. 3.8 vľavo. Po vnútorných stranách zásobníka

sú priložené minerálne izolačné dosky zabalené do ochrannej fólie, ktorá bráni

presakovaniu tekutého parafínu cez izolačnú dosku. Izolačné dosky majú hrúbku 5 cm

a ich koeficient tepelnej vodivosti je 0,036 W/mK. Kvôli izolácii je efektívny objem

38

zásobníka redukovaný na hodnotu 1,15 m3. Na obr. 3.8 vpravo je znázornené umiestnenie

4 výmenníkov tepla pred zapojením do rozvodných okruhov.

Obr. 3.8 Vľavo – obal experimentálneho zásobníka na začiatku prípravy, vpravo –

umiestnenie výmenníkov tepla do zásobníka

3.1.7 PCM

Samotná výplň experimentálneho zásobníka je najdôležitejšou časťou celej aparatúry. Jej

základom je parafín, ktorý pri topení (tuhnutí) akumuluje (odovzdáva) vysoké skupenské

teplo topenia. Ako bolo spomenuté v teoretickej časti, chemicky čisté parafíny sú drahé

a používajú sa predovšetkým technické parafínové vosky, ktoré sú zložené z viacerých

uhľovodíkov. Použitý parafínový vosk nemá ostrú hodnotu teploty topenia, ale leží

v intervale 55 ⁰C ± 1 ⁰C. Podľa tab. 2.1 môže teda byť kombináciou n-pentakozánu, n-

hexakozánu a n-heptakozánu s merným skupenským teplom 235 – 256 kJ/kg.

Jediným problémom, ktorý bráni parafínu ku komerčnému využitiu ako PCM je jeho nízka

tepelná vodivosť, ktorú sme zvýšili rozptylom grafitu do jeho tekutej fázy. Grafit v zmesi

tvorí v priemere 7 hm.%, prerátané na objem 2,7 obj.% v tuhom parafíne. Grafit má však

vyššiu hustotu ako parafín v kvapalnej fáze, preto po čase začne sedimentovať. Tento

problém sme sa snažili vyriešiť zapuzdrením zmesi s použitím polymérneho aditíva

(Vzhľadom na to, že sa vyrobené parafínové granule môžu časom osvedčiť v efektívnom

uskladňovaní solárneho tepla, neuvádzam názov pridaného aditíva a detailný postup

prípravy kvôli patentu, a v nasledujúcom texte budem toto aditívum označovať skratkou

39

PA). Pomocou fyzikálnej metódy sme s použitím PA a grafitu vytvorili obal pre zmes a

pripravili makrokapsulované parafínové granule s rozmerni v rozsahu 0,5 – 5 mm.

Kvôli časovej náročnosti prípravy granúl s dostupnou technikou bol zásobník pri

meraniach len sčasti naplnený. Celková hmotnosť vsypaného parafínu obsiahnutého v

granuliach bola 300 kg a odhadovaná kapacita zásobníka je 800 kg parafínu.

Obr. 3.9 Vľavo – čistý parafínový vosk použitý ako PCM, vpravo – použitý grafitový prášok

s veľkosťou častíc ≈ 100 nm

Obr. 3.10 Vyrobené parafínové granule použité ako uskladňovacie médium s veĺkosťou 0,5 –

5 mm

Vzorky vyrobených granúl sme odobrali a skúmali ich stabilitu pri 10 cykloch

topenie/tuhnutie. Porovnali sme ich aj so vzorkami, ktoré obsahovali len čistú zmes

parafínu a grafitu. Pri každom cykle sme obe vzorky roztopili a vyhriali na teplotu 70 ⁰C.

40

Vzorky sme pri tejto teplote odfotili a nechali vychladnúť na izbovú teplotu. Rovnakým

spôsobom sme postupovali aj pri ďaľších cykloch. Výsledky sú zhrnuté v štvrtej kapitole

a taktiež podrobené diskusii v piatej kapitole.

Tab. 3.4 Fyzikálne parametre použitých zložiek v zmesi

Zložka Parafín Grafit

Hustota 800S kg/m3 (pri 20⁰C) 2250 kg/m3

700L kg/m3 (pri 70⁰C)

Tepelná vodivosť 0,25 W/m.K 200 W/m.K

Skupenské teplo topenia 235-256 kJ/kg -

Merná tepelná kapacita 1,85S kJ/kg.K 0,71 kJ/kg.K

2,24L kJ/ kg.K

41

3.2 Experimentálne zapojenie a kapacita zásobníka tepla

3.2.1 Schéma aparatúry

Schéma celého experimentálneho zapojenia je znázornená na obr. 3.11. Pozostáva

z tepelne izolovaného zásobníka obsahujúceho makrokapsulovanú zmes parafínu a grafitu.

Do zásobníka sú vložené celkom štyri výmenníky tepla, z ktorých dva sú nabíjacie. Patria

dvom samostatným solárnym okruhom s vlastným trubicovým vákuovým kolektorom (30⁰

a 90⁰). Každý z týchto solárnych okruhov má vlastné obehové čerpadlo, expanznú nádobu,

merač prietoku a merač vstupnej (výstupnej) teploty do (zo) zásobníka.

Obr. 3.11 Schéma experimentálnej aparatúry 1: vákuový trubicový kolektor (90⁰) 2: vákuový

trubicový kolektor (30⁰) 3: meracia technika, obehové čerpadlo a škrtiaci ventil 4: zásobník

tepla 5: výmenníky tepla 6: akumulačná výplň (parafínové granule) 7: vybíjací okruh 8:

ďaľší alternatívny zdroj

Pri meraniach boli zapojené len nabíjacie solárne okruhy. Preto sú v práci získané

charakteristiky len pre nabíjanie zásobníka. Vybíjací okruh s vybíjacím výmenníkom,

42

ktorý sa bude nachádzať medzi nabíjacími výmenníkmi (druhý zľava na obr. 3.11),

plánujeme spojazdniť v blízkej budúcnosti. Vybíjanie bude prevedené nabíjaním

sekundárneho zásobníka, aby sme mohli získať aj vybíjacie charakteristiky. Štvrtý

výmenník umiestnený v posledom okruhu bude slúžiť ako ďaľší zdroj tepla, zatiaľ však

o jeho spojazdnení neuvažujeme. Na obr. 3.12 vpravo je znázornené umiestnenie

výmenníkov tepla pri pohľade zhora do zásobníka.

Taktiež plánujeme doplniť zásobník parafínovými granulami do konečneho stavu. Pri

meraniach sa v zásobníku nachádzalo 300 kg parafínu obsiahnutého v granuliach.

Využívali sme tak len zhruba tretinu prestupnej plochy výmenníkov tepla (obr. 3.12

vľavo).

Obr. 3.12 Vľavo – zásobník tepla a jeho stav počas merania, vpravo – pohľad zhora do

zásobníka a umiestnenie 4 výmenníkov tepla

3.2.2 Tepelná kapacita zásobníka

Zásobník má odhadovanú kapacitu 800 kg parafínu s pouźitím parafínových granulí.

Tepelná kapacita zásobníka len zo zložky skupenského tepla parafínu pri skupenskom

teple 235 kJ/kg je tak podľa vzťahu (2.1) rovná:

𝐿𝑚 = 𝑚𝑎𝑚𝛥ℎ𝑚 = 800 𝑘𝑔 ∗ 1 ∗ 235𝑘𝐽

𝑘𝑔= 188 𝑀𝐽 (52,2 kWh)

Dodatková citeľná zložka tepelnej kapacity zásobníka závisí od teploty, na ktorú sa dokáže

ohriať celá zmes po roztopení všetkého parafínu a od využiteľného citeľného tepla celej

zmesi v tuhom stave. Solárny okruh je schopný za slnečného počasia (apríl) dosiahnuť

43

vstupnú teplotu až 80 ⁰C. Predpokladajme, že vyhrejeme celú zmes na 80 ⁰C. Uskladnené

citeľné teplo tekutého parafínu (800 kg) a grafitu (60 kg) potom bude:

𝑄𝐿 = ∫ 𝑚𝑝𝑐𝐿,𝑝𝑑𝑇 + ∫ 𝑚𝑔𝑐𝑆,𝑔𝑑𝑇 =𝑇𝑓

𝑇𝑚

𝑇𝑓

𝑇𝑚

= 800𝑘𝑔 ∗ 2,24𝑘𝐽

𝑘𝑔. 𝐾 ∗ (800C − 550C) + 60kg ∗ 0,71

kJ

kg. K ∗ (800C − 550C) =

= 44800 𝑘𝐽 + 1065 𝑘𝐽 = 45,865 𝑀𝐽 (12,7 𝑘𝑊ℎ)

Využiteľná časť citeľného tepla zmesi v tuhom stave závisí od toho s akou najnižšou

teplotou budeme teplo odoberať. To závisí od použitej aplikácie, pre prípravu TUV sa voda

vyhriena na približne 40 ⁰C. Dodatočné citeľné teplo zmesi v tuhom stave potom bude:

𝑄𝑆 = ∫ 𝑚𝑝𝑐𝑆,𝑝𝑑𝑇 + ∫ 𝑚𝑔𝑐𝑆,𝑔𝑑𝑇 =𝑇𝑚

𝑇𝑖

𝑇𝑚

𝑇𝑖

= 800𝑘𝑔 ∗ 1,85𝑘𝐽

𝑘𝑔. 𝐾 ∗ (550C − 400C) + 60kg ∗ 0,71

kJ

kg. K ∗ (550C − 400C) =

= 22200 𝑘𝐽 + 639𝑘𝐽 = 22,839𝑀𝐽 (6,3 𝑘𝑊ℎ)

Maximálna teoretická tepelná kapacita zásobníka potom bude súčet všetkých troch tepiel:

𝑄𝑚𝑎𝑥 = 𝑄𝑆 + 𝐿𝑚 + 𝑄𝐿 = 256,7 𝑀𝐽 (71,3 𝑘𝑊ℎ)

Názornejšie bude, keď ešte vypočítam koľko litrov TÚV je možné ohriať pomocou 1 kWh

energie. Uvažovať pritom budem s 25 K teplotným rozdielom. V základných jednotkách

bude tento objem rovný:

𝑉 =𝑄

𝜌𝑤𝑐𝐿,𝑤∆𝑇=

3600 𝑘𝐽

1000𝑘𝑔𝑚3 ∗ 4,18

𝑘𝐽𝑘𝑔𝐾

∗ 25 𝐾= 0,0345 𝑚3

Pomocou 1 kWh tak ohrejeme približne 34,5 litrov vody pri teplotnom rozdiely 25 K (⁰C).

Pri využití maximálnej kapacity zásobníka môžme teoreticky ohriať pri rovnakom

teplotnom rozdiely až 2460 litrov vody.

44

3.3 Metódy analýzy

3.3.1 Základné veličiny

Na vyhodnocovanie nabíjacích charakteristík experimentálneho zásobníka využijeme

niekoľko parametrov, pomocou ktorých nakoniec určíme efektivitu uskladňovania tepla.

Prvým, základným parametrom je teplotný rozdiel medzi vstupnou teplotou HTF, Tin,

a výstupnou teplotou HTF, Tout:

𝛥𝑇 = 𝑇𝑖𝑛 − 𝑇𝑜𝑢𝑡 (3.5)

Druhý parameter, rýchlosť tepelnej výmeny, resp. výkon solárneho okruhu, q, v jednotkách

kW. Počitame s ním množstvo uloženej tepelnej energie za jednotu času pomocou tepla,

ktoré odovzdáva HTF pri prechode výmenníkmi tepla [36]:

𝑞 = 𝐹𝜌𝐻𝑇𝐹𝑐𝐻𝑇𝐹𝛥𝑇 (3.6)

Vo vzťahu (3.6) F predstavuje prietok HTF v m3/s, ρHTF hustotu HTF v kg/m

3, cHTF mernú

tepelnú kapacitu HTF v kJ/kgK a ΔT teplotný rozdiel medzi vstupnou a výstupnu teplotou

HTF v jednotkách K. Hustota a merná tepelná kapacita HTF sa mení s teplotou podľa (3.1)

a (3.2). Vo výpočtoch budem do týchto vzťahov zarátavať vstupnú teplotu HTF.

Výkon solárneho okruhu sa bude s časom meniť, hlavne v závislosti od toho, koľko

žiarenia bude dopadať na kolektory. Výkonová charakteristika tak bude rôzna aj pre

solárny okruh s 90⁰ skloneným kolektorom a 30⁰ skloneným kolektorom. Priemerný

výkon pre daný okruh dostanem integrovaním vzťahu (3.6) podľa času od začiatku

spustenia solárneho okruhu po jeho ukončenie a predelením celkovým časom [36]:

𝑞𝑎𝑣 =

1

𝑡𝑓 − 𝑡𝑖∫ 𝑞𝑑𝑡

𝑡𝑓

𝑡𝑖

(3.7)

Množstvo uskladneného tepla Q za daný deň vypočítam jednoduchou integráciou vzťahu

(3.6) podľa času od začiatku spustenia solárneho okruhu po jeho ukončenie:

𝑄 = ∫ 𝑞𝑑𝑡

𝑡𝑓

𝑡𝑖

(3.8)

Poznámka. Do celkového výkonu zásobníka, ktorý je súčtom výkonov jednotlivých solárnych

okruhov nebudem zarátavať straty tepla cez steny zásobníka.

Poznámka. Integráciu vzťahu (3.6) prevediem numericky, keďže výkon nemá žiadnu predpísanú

funkciu. Na výpočet integrálu a štandardnej neistoty tak použijeme lichobežníkovú metódu.

45

3.3.2 Výpočet štandardnej neistoty

Ako bolo spomenuté v časti 3.1.4, merať sa budú aktuálne teploty a aktuálne prietoky,

ktoré sú zaťažené neistotou. Ich štandardné neistoty sú u(F) = 0,14 l/min a u(T) = 0,58 ⁰C.

Teplota a prietok, ktoré sa namerali sú teda odhady vstupných veličín pre výstupné

veličiny (napr. q alebo cHTF). Pomocou vzťahou (3.1), (3.2), (3.5) až (3.8) sa počítali

odhady výstupných veličín, na ktoré sa prenesie neistota vstupných veličín.

Na výpočet štandardnej neistoty výstupných veličín použijem metódu linearizácie.

Štandardná neistota výstupnej veličiny u(f) bude mať podľa tejto metódy vo všeobecnosti

tvar [35]:

𝑢(𝑓) = √∑𝜕𝑓

𝜕𝑥𝑖

2

𝑢(𝑥𝑖)2

𝑛

𝑖=1

(3.9)

Vo vzťahu (3.9) je f známy funkčný vzťah pre výstupnú veličinu, xi vstupná veličina a u(xi)

štandardná neistota vstupnej veličiny. Ako príklad uvediem výpočet štandardnej neistoty

ΔT:

𝑢(𝛥𝑇) = √𝜕𝛥𝑇

𝜕𝑇𝑖𝑛

2

𝑢(𝑇)2 +𝜕𝛥𝑇

𝜕𝑇𝑜𝑢𝑡

2

𝑢(𝑇)2 = √2𝑢(𝑇)2 = 0,82 ⁰𝐶

Štandardná neistota teplotného rozdielu ΔT je teda vždy konštantná a nezávisí od veľkosti

vstupnej a výstupnej teploty HTF. Rovnako je to aj v prípade štandardnej neistoty pre

mernú tepelnú kapacitu HTF:

𝑢(𝑐𝐻𝑇𝐹) = √𝜕𝑐𝐻𝑇𝐹

𝜕𝑇

2

𝑢(𝑇)2 = √0,0572𝑢(𝑇)2 = 0,033𝑘𝐽

𝑘𝑔𝐾

Štandardná neistota ostatných parametrov sa bude podobne počítať podľa vzťahu (3.9),

bude sa však meniť v závislosti od nameranej teploty, prietoku alebo iných parametrov.

46

4 Výsledky

4.1 Stabilizácia grafitu použitou metódou

Obr. 4.1 Porovnanie stabilizácie grafitu v zmesi parafínu (93 hm.%) a grafitu (7 hm.%),

zľava pripravená vzorka a vzorka po prvom, druhom, piatom a desiatom cykle topenia

Obr. 4.2 Porovnanie stabilizácie grafitu vo vyrobených parafínových granuliach s použitím

PA, zľava pripravená vzorka a vzorka po prvom, druhom, piatom a desiatom cykle topenia

47

Na obr. 4.1 je znázornená vzorka pripravenej zmesi parafínu a grafitu a tá istá vzorka po

prvom, druhom, piatom a desiatom cykle topenia. Obsah grafitu v zmesi bol 7 hm.% (2.7

obj.%). Vzorky boli pri každom cykle topenia vyhriate na teplotu 70 ⁰C, pri ktorej boli

odfotené a následne sa nechali ochladiť pri izbovej teplote. Modrý pásik označuje výšku,

do ktorej je grafit v zmesi rozptýlený. Červený označuje oddelenú zložku parafínu od

zmesi.

Už po prvom topení grafit sedimentuje na dne vzorky a parafínová zložka s menšou

hustotou výjde hore. V parafínovej vrstve sa ešte nachádzajú nejaké rozptýlené častice

grafitu, ale po druhom topení je ich množstvo už zanedbateľné. Rovnakú situáciu možno

pozorovať aj po ďaľších topeniach. Parafínová zložka tak vytvorí vrstvu zaberajúcu zhruba

3/4 objemu pôvodnej zmesi. Zvyšnú ¼ objemu tvorí parafín so vysokou koncentráciou

grafitu. Tepelná vodivosť vo vzorke je tak rôzna v každej vrstve.

Obr. 4.2 znázorňuje vzorku vyrobených parafínových granúl s rovnakou koncentráciou

grafitu ako predošlá vzorka, a tú istú vzorku po prvom, druhom, piatom a desiatom cykle

topenia. Snahou bolo fyzikálnou metódou vyrobiť kapsulovaný parafín s použitím PA

a izolovať tak parafín od okolia. Koncentrácia PA vo vzorke je približne 5 hm.%.

Vyrobené granule mali veľkosť od 0,5 mm až do 5 mm. Pri skúmaní ich stability bol

prevedený rovnaký postup ako pri vzorke, kde nebola použitá kapsulácia.

Ako vidno z obr. 4.2, parafínové granule si po prvom aj druhom topení v značnej miere

zachovali stabilitu. Malá vrstva parafínu, označená červeným pásikom, sa objavila, a po

piatom topení bola hrúbka tejto vrstvy už dvojnásobná. Po desiatom topení táto vrstva

zaberala zhruba 1/3 objemu vzorky. Kapsulácia tak nebola úplne úspešná, polymérový

obal väčších kapsúl bol pravdepodobne pod vplyvom objemových zmien pri topení

parafínu poškodený. Stabilita menších kapsúl mohla byť zachovaná.

V porovnaní s prvou vzorkou bol grafit vo vzorke obsahujúcej kapsule viac stabilizovaný.

Vrstva obsahujúca grafit bola po desiatom topení približne 2,5 krát väčšia vo vzorke

obsahujúcej granule, ako vo vzorke, ktorá obsahovala len čistú zmes parafínu a grafitu. Vo

vzorke s granulami bol grafit po desiatom topení stále viac stabilizovaný ako v prvej

vzorke po prvom topení.

48

4.2 Vstupná/výstupná teplota HTF a výkonové charakteristiky

4.2.1 10.4.2015

Na obr. 4.3 a 4.4 sú v grafoch znázornené časové závislosti vstupnej a výstupnej teploty

HTF pre solárne okruhy s 90⁰ a 30⁰ skloneným kolektorom získané 10.4.2015 za jasného

počasia. Na obr. 4.5 a 4.6 sú znázornené výkonové charakteristiky pre solárne okruhy s 90⁰

a 30⁰ skloneným kolektorom získané v tom istom dni. Tab. 4.1 zobrazuje vypočítané

hodnoty parametrov Q a qav spolu s ich štandardnými neistotami.

Obr. 4.3 Vstupná a výstupná teplota HTF v 90⁰ solárnom okruhu 10.4.2015


20

30

40

50

60

70

80

90

10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00

T [⁰

C]

čas [hod]

Časová závislosť vstupnej a výstupnej teploty HTF (90⁰)

Tin

Tout

20

30

40

50

60

70

80

90

100

10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00

T [⁰

C]

čas [hod]


Tin

Tout

Teplota topenia parafínu 55⁰C


49

Obr. 4.5 Výkonová charakteristika solárneho okruhu s 90⁰ kolektorom 10.4.2015


Tab. 4.1 Vypočítané hodnoty parametrov Q a qav 10.4.2015

Okruh Q [kWh] u(Q) [kWh] qav [kW] u(qav) t [hod]

90⁰ 4,18 0,62 0,52 0,08 8

30⁰ 3,21 0,54 0,40 0,07 8

spolu 7,39 0,82 0,92 0,10 8

-0,4

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00

q [

kW]

čas [hod]

Výkon solárneho okruhu (90⁰)

q 90 st

-0,1

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00

q [

kW]

čas [hod]


q 30 st

50

4.2.2 13.4.2015


HTF pre solárne okruhy s 90⁰ a 30⁰ skloneným kolektorom získané 13.4.2015. V tomto

dni bolo do obedu jasné počasie a postupne od 14:30 pribúdala oblačnosť. Na obr. 4.9

a 4.10 sú znázornené výkonové charakteristiky pre solárne okruhy s 90⁰ a 30⁰ skloneným

kolektorom získané v tom istom dni. Tab. 4.2 zobrazuje vypočítané hodnoty parametrov Q

a qav spolu s ich štandardnými neistotami.



20

25

30

35

40

45

50

55

60

11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00

T [⁰

C]

čas [hod]


Tin

Tout

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00

T [⁰

C]

čas [hod]


Tin

Tout



51





90⁰ 1,91 0,42 0,28 0,06 6,75

30⁰ 1,73 0,45 0,26 0,07 6,75

spolu 3,64 0,62 0,54 0,09 6,75

-0,2

-0,1

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00

q [

kW]

čas [hod]


q 90 st

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00

q [

kW]

čas [hod]


q 30 st

52

4.2.3 21.4.2015


HTF pre solárne okruhy s 90⁰ a 30⁰ skloneným kolektorom získané 21.4.2015. Počas

celého dňa sa udržovalo jasné až polojasné počasie. Na obr. 4.13 a 4.14 sú znázornené

výkonové charakteristiky pre solárne okruhy s 90⁰ a 30⁰ skloneným kolektorom získané

v tom istom dni. Tab. 4.3 zobrazuje vypočítané hodnoty parametrov Q a qav spolu s ich

štandardnými neistotami.



20

30

40

50

60

70

80

10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00

T [⁰

C]

čas [hod]


Tin

Tout

20

30

40

50

60

70

80

90

10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00

T [⁰

C]

čas [hod]


Tin

Tout



53





90⁰ 3,33 0,55 0,43 0,07 7,75

30⁰ 3,73 0,60 0,48 0,08 7,75

spolu 7,06 0,81 0,91 0,10 7,75

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00

q [

kW]

čas [hod]


q 90 st

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00

q [

kW]

čas [hod]


q 30 st

54

4.2.4 22.4.2015



dni bolo doobedu polojasné až oblačné počasie a od 15:30 bolo jasno. Na obr. 4.17 a 4.18

sú znázornené výkonové charakteristiky pre solárne okruhy s 90⁰ a 30⁰ skloneným





0

10

20

30

40

50

60

70

10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00

T [⁰

C]

čas [hod]


Tin

Tout

0

10

20

30

40

50

60

70

80

10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00

T [⁰

C]

čas [hod]


Tin

Tout



55





90⁰ 2,44 0,51 0,31 0,06 8

30⁰ 2,16 0,54 0,27 0,07 8

spolu 4,60 0,74 0,58 0,09 8

-0,1

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00

q [

kW]

čas [hod]


q 90 st

-0,8

-0,6

-0,4

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00

q [

kW]

čas [hod]


q 30 st

56

4.2.5 23.4.2015



dni bolo doobedu polojasné až poloblačné počasie a od 14:30 bolo jasno. Na obr. 4.21

a 4.22 sú znázornené výkonové charakteristiky pre solárne okruhy s 90⁰ a 30⁰ skloneným





0

10

20

30

40

50

60

70

80

10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00

T [⁰

C]

čas [hod]


Tin

Tout

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00

T [⁰

C]

čas [hod]


Tin

Tout



57





90⁰ 3,36 0,53 0,46 0,07 7,25

30⁰ 3,34 0,54 0,46 0,07 7,25

spolu 6,69 0,76 0,92 0,10 7,25

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00

q [

kW]

čas [hod]


q 90 st

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00

q [

kW]

čas [hod]


q 30 st

58

4.2.6 24.4.2015



dni bolo približne do 15:00 slnečno a neskôr oblačno až zamračené. Na obr. 4.25 a 4.26 sú

znázornené výkonové charakteristiky pre solárne okruhy s 90⁰ a 30⁰ skloneným





0

10

20

30

40

50

60

70

80

10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00

T [⁰

C]

čas [hod]


Tin

Tout

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00

T [⁰

C]

čas [hod]


Tin

Tout



59





90⁰ 2,40 0,43 0,40 0,07 6

30⁰ 2,11 0,40 0,35 0,07 6

spolu 4,51 0,59 0,75 0,10 6

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00

q [

kW]

čas [hod]


q 90 st

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00

q [

kW]

čas [hod]


q 30 st

60

4.2.7 25.4.2015



dni bolo celý deň jasno. Na obr. 4.29 a 4.30 sú znázornené výkonové charakteristiky pre

solárne okruhy s 90⁰ a 30⁰ skloneným kolektorom získané v tom istom dni. Tab. 4.7

zobrazuje vypočítané hodnoty parametrov Q a qav spolu s ich štandardnými neistotami.



20

30

40

50

60

70

80

10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00

T [⁰

C]

čas [hod]


Tin

Tout

20

30

40

50

60

70

80

90

10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00

T [⁰

C]

čas [hod]


Tin

Tout



61





90⁰ 4,14 0,57 0,59 0,08 7

30⁰ 3,65 0,69 0,52 0,10 7

spolu 7,80 0,90 1,11 0,13 7

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00

q [

kW]

čas [hod]


q 90 st

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00

q [

kW]

čas [hod]


q 30 st

62

5 Diskusia

5.1 Stabilita kapsúl a porovnanie stabilizácie grafitu

Ako vidno z obr. 4.2, kapsulácia parafínovej zmesi do polymérneho aditíva nebola úplne

úspešná. Po druhom topení si kapsule zachovali sčasti svoju stabilitu, ale po ostatných

cykloch topenia bolo už poškodenie významnejšie. Použitá metóda pri výrobe

makrokapsulovaných granúl nebola účinná hlavne preto, lebo sa vďaka nej vyrobili

granule s veľkosťou až do 5 mm. Pri týchto veľkostiach, povrchová vrstva kapsule už

neudržala tlak generovaný pri objemových zmenách parafínu počas topenia. Častice

s menšími rozmermi mohli byť zachované.

Poškodený polymérový obal však vytvoril vo vzorke trojrozmernú sieť zachytávajúcu

častice grafitu. V tekutom prafíne mal tak želírovací účinok. Vrstva obsahujúca rozptýlené

častice grafitu bola tak väčšia vo vzorke obsahujúcej vyrobené granule. Táto vrstva má

zároveň vyššiu tepelnú vodivosť ako čisto parafínová vrstva. Na základe predošlých štúdií

by mal byť koeficient tepelnej vodivosti, λ, dvoj až trojnásobne vyšší vo vrstve

s rozptýleným grafitom. Na objektívnejšie posúdenie by bolo ešte vhodné odmerať tepelnú

vodivosť vzorky. Napriek tomu, že makrokapsulácia zmesi parafínu a grafitu nebola

úspešná, možno pozorovať zlepšenie stabilizácie grafitu v parafíne použitou metódou.

Podobne ako pri vzorkách, tak aj v zásobníku bola po niekoľkých topeniach pozorovaná

vrstva čistého parafínu na vrchu. Táto vrstva mala približne 10-15 cm. Pod touto vrstvou

bol grafit v parafíne dobre rozptýlený. V zásobníku sa preto vytvorili vrstvy s rôznou

tepelnou vodivosťou. Vrstva parafínu s nízkym koeficientom tepelnej vodivosti (≈0,25

W/mK) preto tepelne izoluje vrstvu pod ňou.

Doplnenie zásobníka možno previesť dvoma spôsobmi. Prvým je vylepšiť metódu prípravy

makrokapsulovaných granúl tak, aby veľkosť častíc bola čo najmenšia a povrchová vrstva

udržala parafín a grafit izolovaný od okolia. Druhým spôsobom možno zásobník doplniť

pôvodne vyrobenými granulami a skúmať stabilitu grafitovej vrstvy aj po viacerých

cykloch. Pri tomto spôsobe by bolo ešte vhodné preskúmať vplyv koncentrácie PA na

stabilizáciu grafitu. Na objektívne posudzovanie tepelných vlastností vzoriek (hlavne

tepelnej vodivosti, merného skupenského tepla a mernej tepelnej kapacity), by bolo vhodné

doplniť laboratórium zariadeniami merajúcimi tieto vlastnoti.

63

5.2 Vstupná/výstupná teplota HTF a výkonové charakteristiky

Samotná tepelná vodivosť ešte neurčuje efektivitu uskladňovania tepla. Na jednej strane

má na ňu veľký vplyv, ale aj konvekcia, tepelné prúdy v roztopených vrstvách urýchľujú

tepelný prenos. Taktiež prestupná plocha výmenníkov. Na posúdenie efektivity

uskladňovania tepla boli preto vyhodnotené namerané údaje vstupnej/výstupnej teploty

a prietoku HTF, a vykreslené výkonové charakteristiky solárnych okruhov pre 7 dní.

Najvýznamenjším parametrom, od ktorého závisí či fázová premena bude prebiehať a bude

tak umožnené uskladňovanie skupenského tepla, je vstupná teplota HTF, Tin. Veľkosť

vstupnej teploty by mala byť nad hodnotou teploty topenia parafínu, 55 ⁰C. Veľkosť Tin

ovplyňuje predovšetkým množtvo slnečného žiarenia, ktoré kolektory účinne premenia na

tepelnú energiu. Slnečné žiarenie je nestáli obnoviteľný zdroj energie, ktorého chod sa na

hornej hranici atmosféry periodicky mení počas roka a počas dňa, a neperiodicky pri

zemskom povrchu. Tento parameter preto nemožno nijak ovplyvniť. Veľkosť vstupnej

teploty je možné zmeniť len pomocou prietoku HTF. Pri meraniach sa udržoval prietok pri

hodnote 1,5 l/min v oboch okruhoch len s malou zmenou ± 0,5 l/min. Pri tejto hodnote

prietoku sa počas všetkých dní dosiahla vstupná teplota vyššia ako 55 ⁰C, ale len pri

slnečnom počasí. Je zrejmé, že s pribúdajúcou oblačnosťou veľkosť vstupnej teploty HTF

klesá. Na obr. 4.7 a 4.8 vidieť tento pokles vstupnej teploty HTF pod 55 ⁰C

s prichádzajúcou oblačnosťou zo dňa 13.4.2015. Výkon tak výrazne klesol a boli

pozorované aj mínusové hodnoty. Pri polojasnom až oblačnom počasí 22.4.2015 sa

veľkosť vstupnej teploty udržiavala pri hodnote 55 ⁰C (90⁰ okruh) 60 ⁰C (30⁰ okruh). Pre

efektívnejšie uskladňovanie tepla v zásobníku preto navrhujem znížiť prietok pri oblačnom

počasí a skúmať ako sa mení vstupná teplota HTF s prietokom pri difúznom žiarení.

Ďaľším parametrom, od ktorého závisí veľkosť uskladnenej energie je teplotný rozdiel

medzi vstupnou a výstupnou teplotou HTF, ΔT. V každom dni bol tento rozdiel relatívne

vysoký a teda zásobník absorboval teplo. Na konci každého dňa možno pozorovať pokles

tohto parametra. To je z toho dôvodu, že v okolí výmenníkov bola na konci dňa parafínová

zmes roztopená a prijímala už aj citeľné teplo. Keď bola vyhriata na teplotu Tin nebola

schopná absorbovať už žiadne teplo. Bola pozorovaná aj záporná hodnota tohto parametra,

na obr. 4.16 z 22.4.2015 o 11:00 bolo ΔT = -14 K. V okolí výmenníkov bolo uskladnené

teplo a HTF sa po prechode výmenníkmi ohriala z 28 ⁰C na 42 ⁰C. Rýchlo sa však zvýšila

vstupná teplota a teplotný rozdiel ΔT prešiel na kladné hodnoty.

64

Na posúdenie rýchlosti prestupu tepla od výmenníkov cez celý zásobník treba do neho ešte

rozmiestniť merače teploty s automatickým zberom dát. Skúmať by sa tak mohol prestup

tepla v jednotlivých vrstvách v zmesi a mohlo by sa modelovať rozloženie teploty

v zásobníku. Vnútorné rozloženie teploty v čase by tak umožnilo počítať straty tepla cez

steny zásobníka.

Obr. 5.1 Množstvo uskladneného tepla v zásobníku v jednotkách kWh spolu s vyhodnotenou

štandardnou neistotou

Obr. 5.2 Priemerný výkon zásobníka v jednotkách kW spolu s vyhodnotenou štandardnou

neistotou

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

1

Q [

kWh

]

Množstvo uskladneného tepla v zásobníku

10.4.2015 13.4.2015 21.4.2015 22.4.2015 23.4.2015 24.4.2015 25.4.2015

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1

qav

[kW

]

Priemerný výkon zásobníka

10.4.2015 13.4.2015 21.4.2015 22.4.2015 23.4.2015 24.4.2015 25.4.2015

65

Vo výsledkoch sú zhrnuté grafy znázorňujúce výkony solárnych okruhov meniacich sa

v čase, v danom dni spolu s vypočítanými hodnotami parametrov Q a qav pre každý solárny

okruh zvlášť a pre celý zásobník. Z grafov vidno, že výkon solárnych okruhov je silne

ovplyvnený množstvom slnečného žiarenia. Najväčšie hodnoty dosahuje v poobedňajších

hodinách, pri priamom slnečnom žiarení. Tiež si možno všimnúť, že výkon solárneho

okruhu s 90⁰ skloneným kolektorom je väčší v porovnaní s 30⁰ okruhom. Žiarenie

dopadajúce na 30⁰ sklonenú plochu je v období, kedy boli merania uskutočnené, väčšie

ako žiarenie dopadajúce na kolmú plochu. Tento nesúlad bol spôsobený nerovnomerným

rozložením parafínových granúl v zásobníku. Výmenník tepla v 90⁰ okruhu bol viac

zasypaný parafínovými granulami. Využíval väčšiu prestupnú plochu a preto odovzdával

aj viac tepla. Podmienky pri oboch výmenníkoch tak boli rôzne, preto tieto výkony

nemožno veľmi porovnávať. Skutočnosť, že výkon bol väčší skôr vypovedá o tom, že

zväčšenie prestupnej plochy má mimoriadny význam pri odvádzaní tepla. Preto sa

očakáva, že doplnenie zásobníka PCM do konečného stavu zvýši celkový výkon

zásobníka. Na obr. 5.2 je znázornený diagram pre celkový priemerný výkon zásobníka.

Počas slnečných dní bol tento výkon v rozsahu 0,9 kW až 1,1 kW so štandardnou

odchýlkou v rozsahu 0,1 kW až 0,13 kW (11 %). Priemerný výkon pri polojasnom až

oblačnom počasí dosiahol 0,5 kW až 0,7 kW so štandardnými odchýlkami v rozsahu 0,09

kW až 0,1 kW (13 - 17 %).

Integráciou výkonu od začiatku spustenia solárneho okruhu po jeho ukončenie sa získali

údaje o množstve tepelnej energie, ktorú HTF po prechode výmenníkmi odovzdalo PCM

zmesi. Celkové uskladnené teplo za daný deň je znázornené na obr. 5.1. Počas slnečných

dní sa získalo 6,7 kWh až 7,79 kWh energie so štandardnou neistotou v rozsahu 0,75 kWh

až 0,8 kWh (11%). Uskladnené teplo pri polojasnom až oblačnom počasí bolo v rozsahu

3,64 kWh až 4,6 kWh so štandardnými odchýlkami v rozsahu 0,59 kWh až 0,74 kWh (13 -

17 %). Treba ešte poznamenať, že tieto hodnoty aj hodnoty výkonov nerátajú s tepelnými

stratami. Tie boli pri meraniach veľké, pretože zásobník nebol zhora úplne izolovaný. Cez

noc odovzdával časť nahromadeného tepla von do sklenníka. Zároveň, pri nabíjaní

výmenník svojou odrytou plochou ohrieval vzduch v zásobníku. Časť získaného tepla sa

preto nevyužila na ohrev parafínovej zmesi, ale na ohrev vzduchu. Túto malú časť môžme

zanedbať, pretože ak by bol zásobník plne naplnený, ohrievala by sa namiesto vzduchu

parafínová zmes. Získané charakteristiky mali na záver priniesť len predbežný pohľad na

to, aké efektívne je nabíjanie experimentálneho zásobníka. Z výsledkov je zrejmé, že

66

nabíjanie bolo efektívne aj napriek tomu, že zásobník bol len sčasti naplnený. Svedčí o tom

aj diagram na obr. 5.1, vďaka ktorému môžme usúdiť, že zásobník je schopný počas

slnečných a polojasných dní akumulovať relatívne veľké množstvo tepelnej energie. Toto

množstvo by bolo väčšie, ak by sa kolektory nenachádzali v doobedňajších hodinách

v tieni.

Na úplné posúdenie kvality zásobníka je ho potrebné ešte doplniť PCM zmesou a získať aj

vybíjacie charakteristiky. Taktiež je potrebné skúmať správanie zásobníka pri súčasnom

chode vybíjacích a nabíjacích okruhov. Užitočné by bolo merať aj globálne žiarenie na 30⁰

a 90⁰ sklonených plochách v kW/m2 a určiť tak objektívne efektivitu celej aparatúry pri

nabíjaní zo slnečného žiarenia.

67

Záver

V tejto práci bola popísaná kompletná experimentálna aparatúra využívajúca slnečné

žiarenie na akumuláciu tepla. Jej hlavnou časťou je zásobník, ktorý akumuluje energiu vo

forme skupenského tepla topenia parafínu a dodatkového citeľného tepla. Snahou bolo

vyrobiť aj mikrokapsulovanú zmes parafínu a grafitu, aby sa zvýšil prestup tepla

v zásobníku. Výkonové charakteristiky pre nabíjanie zásobníka boli vyhodnotené

s pomocou nameraných údajov a bola posúdená aj efektivita nabíjania. Na začiatku práce

boli jasne definované ciele, pomocou ktorých sa dosiahli pozitívne výsledky. Na tieto ciele

budem preto v nasledujúcich odstavcoch odpovedať.

Látok, ktoré možno využiť na akumuláciu skupenského tepla je mnoho. V závislosti od

aplikácie možno využiť látky s rôznou teplotou topenia. Pre solárny ohrev vody

a vykurovanie sa používajú materiály s teplotou topenia v rozsahu 30 ⁰C až 90 ⁰C. Ako

vidieť z obr. 2.4 môžu to byť hydráty solí, parafíny, mastné kyseliny, estery alebo

polyetylénglykoly. Z týchto skupín látok majú najväčšie skupenské teplo na jednotku

objemu hydráty solí, ale ich problémom je fázová segregácia vzniknutej soli pri topení.

Ďaľšou ich nevýhodou je výrazné podchladenie pri tuhnutí a vysoký korozívny účinok.

Z ostatných skupín látok majú najlepšie tepelno-fyzikálno-chemické a ekonomické

vlastnosti parafíny. Jedinou, avšak významnou nevýhodou, je ich nízka tepelná vodivosť

(≈ 0,25 W/mK), ktorá znižuje výkon zásobníka. Medzi hlavné metódy zvýšenia výkonu

patrí rozptyl častíc s vysokou tepelnou vodivosťou v PCM, použitie výmenníkov tepla

s väčšou prestupnou plochou a kapsulácia PCM, pri ktorej sa zvyšuje pomer povrchovej

plochy k objemu PCM. Redukcia podchladenia parafínov je potrebná len vo veľmi malých

objemoch (μm).

Podrobný technický popis použitých zariadení a materiálov sa nachádza v experimentálnej

časti. Najvýznamnejšie prvky experimentálneho zariadenia sú však tie, ktoré svojim

spôsobom zvyšujú výkon zásobníka. Na zvýšenie výkonu zásobníka boli použité medené

výmenníky tepla zatočené do špirály zväčšujúc tak teplo-prestupnú plochu. Výkon

zásobníka bol zväčšený aj pridaním grafitu do parafínu. Snahou bolo kapsulovať túto zmes

s použitím polymérneho aditíva. Kapsulácia nebola úplne úspešná, pretože po druhom

topení kapsule stratili svoju pevnosť kvôli objemovým zmenám pri topení parafínu.

Napriek tomu bolo pozorované zlepšenie stabilizácie grafitu s použitím polymérneho

aditíva.

68

Výkonové charakteristiky pre nabíjanie a závislosť vstupnej/výstupnej teploty HTF s

časom sú zhrnuté vo výsledkoch. Boli tak získané predbežné výsledky, z ktorých možno

usúdiť, že zásobník akumuluje relatívne veľké množstvo tepla (3,64 kWh – 7,79 kWh so

štandardnou neistotou v rozsahu 11% až 17%) počas jasných až polojasných aprílových

dní a dosahuje aj relatívne vysoký priemerný výkon (0,5 kW až 1,1 kW so štandardnou

neistotou v rozsahu 11% až 17%). Tieto výsledky boli dosiahnuté pri tretinovom zaplnení

zásobníka ako to znázorňuje obr. 3.12. Očakáva sa, že po doplnení zásobníka do

konečného stavu bude výkon zvýšený vďaka väčšej prestupnej ploche.

Na zlepšenie výkonu zásobníka a objektívnejšie posudzovanie jeho fyzikálnych vlastností

ako aj parafínovej zmesi prinášam návrhy pre technické vylepšenie a ďaľšie skúmanie:

1. Preštudovať metódu merania tepelnej vodivosti látok v pevnom aj v kvapalnom

skupenstve a taktiež metódu merania merného skupenského tepla a mernej tepelnej

kapacity látok. Vybaviť laboratórium zariadeniami merajúcimi tieto vlastnosti.

2. Doplniť zásobník akumulačnou zmesou do konečného stavu pôvodne vyrobenými

parafínovými granulami (pričom skúmať vplyv koncentrácie polymérneho aditíva

na stabilizáciu grafitu a na tepelnú vodivosť zmesi) alebo kapsulovanou zmesou

(vylepšiť metódu prípravy makrokapsulovaných granúl tak, aby veľkosť častíc bola

čo najmenšia a povrchová vrstva udržala parafín a grafit izolovaný od okolia).

Cieľom je dosiahnuť maximálny výkon zásobníka.

3. Skúmať vplyv veľkosti prietoku HTF na vstupnú teplou HTF hlavne pri difúznom

žiarení. Cieľom je zistiť, či je možné dosiahnuť vstupnú teplotu HTF väčšiu ako je

teplota topenia parafínu a využívať tak aj difúzne žiarenie pri uskladňovaní

skupenského tepla.

4. Umiestniť merače teploty do zásobníka s automatizovaným zberom dát. Cieľom je

skúmanie prestupu tepla v zásobníku, modelovanie rozloženia teploty a počítanie

strát tepla cez steny zásobníka.

5. Dobudovanie vybíjacieho okruhu a získať vybíjacie výkonové charakteristiky.

Nabíjanie zásobníka bolo v tejto práci pozitívne preukázané, vybíjacie výkonové

charakteristiky však prinesú pohľad na to, ako efektívne možno využívať

akumulované solárne teplo.

6. Merať globálne žiarenie na 30⁰ a 90⁰ sklonených plochách v kW/m2 a určovať tak

objektívne efektivitu celej aparatúry pri nabíjaní zo slnečného žiarenia.

69

Zoznam použitých zdrojov

[1] California Institute of Technology. Phase diagram of water [online obrázok]. [cit.

2015-3-9]. Dostupné na internete:

http://www.its.caltech.edu/~atomic/snowcrystals/ice/h2ophase.gif

[2] SHARMA, A., et al. 2009. Review on thermal energy storage with phase change

materials and applications. In Renewable and Sustainable Energy Reviews, volume 13,

2009, s. 318-345

[3] SHARMA, R.K., et al. 2015. Developments in organic solid-liquid phase change

materials and their applications in thermal energy storage. In Energy Conversion and

Management, volume 95, 2015, s. 193-228

[4] PIELICHOWSKA, K., PIELICHOWSKY, K., 2014. Phase change materials for

thermal energy storage. In Progress in Materials Science, volume 65, 2014, s. 67-123

[5] SHARMA, S.D., 2005. Latent heat storage materials and systems: A review. In

International Journal of Green Energy, volume 2, 2005, s. 1-56

[6] GÜNTHER, E., et al. 2009. Simulation of subcooling in latent heat storages. In the

11th International Conference on Energy Storage, Stockholm, 2009

[7] SARIER, N., ONDER, E., 2012. Organic phase change materials and their textile

applications: An overview. In Thermochimica Acta, volume 540, 2012, s. 7-60

[8] FARID, M.M., et al. 2004. A review on phase change energy storage: materials and

applications.In Energy Conversion and Management, volume 45, 2004, s. 1597-1615

[9] HIMRAN, S., SUWONO, A., 1994. Characterization of Alkanes and Paraffin Waxes

for Application as Phase Change Energy Storage Medium. In Energy Sources, volume 16,

1994, s. 120-121

[10] KARAIPEKLI, A., et al, 2007. Thermal conductivity improvement of stearic acid

using expanded graphite and carbon fiber for energy storage applications. In Renewable

Energy, volume 32, 2007, s. 2201-2210

[11] Look for Chemicals. Hustoty esterov [online]. [cit. 2015-03-12]. Dostupné na

internete: http://www.lookchem.com/

http://www.its.caltech.edu/~atomic/snowcrystals/ice/h2ophase.gif

http://www.lookchem.com/

70

[12] AYDIN, A.A., OKUTAN, H., 2011. High-chain fatty acid esters of myristyl alcohol

with odd carbon number: Novel organic phase change materials for thermal energy

storage-2. In Solar Energy Materials & Solar Cells, volume 95, 2011, s. 2417-2423

[13] AYDIN, A.A., OKUTAN, H., 2011. High-chain fatty acid esters of myristyl alcohol

with even carbon number: Novel organic phase change materials for thermal energy

storage-1. In Solar Energy Materials & Solar Cells, volume 95, 2011, s. 2752-2762

[14] Wiley Online Library. Polyethylene glycol [online PDF]. 1995 [cit. 2015-03-12].

Dostupné na internete:

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/3527600418.mb2532268kske0010/pdf

[15] CABEZA, L.F., et al, 2003. Thermal performance of sodium acetate trihydrate

thickened with different materials as phase change energy storage material. In Applied

Thermal Engineering, volume 23, 2003, s. 1697-1704

[16] LIU, M., et al, 2012. Review on storage materials and thermal performance

enhancement techniques for high temperature phase change thermal storage systems. In

Renewable and Sustainable Energy Reviews, volume 16, 2012, s. 2118-2132

[17] MEHLING, H., CABEZA, L.,F., 2008. Heat and cold storage with PCM: An up to

date introduction into basics and applications. Berlin : Springer, 2008, ISBN 978-3-540-

68556-2

[18] ZALBA, B., et al. 2003. Review on thermal energy storage with phase change

materials, heat transfer analysis and applications. In Applied Thermal Engineering, volume

23, 2003, s. 251-283

[19] WANG, W., et al, 2009. Enhanced thermal conductivity and thermal performance of

form-stable composite phase change materials by using β-Aluminium nitride. In Applied

Energy, volume 86, 2009, s. 1196-1200

[20] CHOI, D.H., et al, 2014. Thermal conductivity and heat transfer performance

enhancement of phase change materials (PCM) containing carbon additives for heat

storage application. In International Journal of Refrigeration, volume 42, 2014, s. 112-120

[21] HEDBERG, J. Simple graphene sheet [online obrázok]. [cit. 2015-0.4-21]. Dostupné

na internete: http://www.jameshedberg.com/scienceGraphics.php?id=graphene-simple

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/3527600418.mb2532268kske0010/pdf

http://www.jameshedberg.com/scienceGraphics.php?id=graphene-simple

71

[22] Imgbuddy.com. Graphite [online obrázok]. [cit. 2015-4-21]. Dostupné na internete:

http://imgbuddy.com/graphite-structure.asp

[23] EC21. Sell carbon nanotubes (MWCNT, SWCNT) [online obrázok]. 2011 [cit 2015-4-

21]. Dostupné na internete:

http://www.ec21.com/offer_detail/Sell_carbon_nanotubes_MWCNT_SWCNT--

13060630.html

[24] AL-ABIDI, A., A., et al, 2012. Review of thermal energy storage for air conditioning

systems. In Renewable and Sustainable Energy Reviews, volume 16, 2012, s. 5802-5819

[25] AGYENIM, F., et al, 2009. A comparison of heat transfer enhancement in a medium

temperature thermal energy storage heat exchanger using fins. In Solar Energy, volume 83,

2009, s. 1509-1520

[26] ISMAIL, K.A.R., et al, 2001. Numerical and experimental study on the solidification

of PCM around a vertical axially finned isothermal cylinder. In Applied Thermal

Engineering, volume 21, 2001, s. 53-77

[27] SALUNKHE, P.B., SHEMBEKAR, P.S., 2012. A review on effect of phase change

material encapsulation on the thermal performance of a system. In Renewable and

Sustainable Energy Reviews, volume 16, 2012, s. 5603-5616

[28] SARI, A., et al, 2014. Micro/nano encapsulation of some paraffin eutectic mixtures

with poly(methyl methacrylate) shell: Preparation, charakterization and latent heat thermal

energy storage properties. In Applied Energy, volume 136, 2014, s. 217-227

[29] CHEN, L., et al, 2014.Characterization of thermal and hydrodynamic properties for

microencapsulated phase change slurry (MPCS). In Energy Conversion and Management,

volume 79, 2014, s. 317-333

[30] ZHAO, C.Y., ZHANG, G.H., 2011. Review on microencapsulated phase change

materials (MEPCMs): Fabrication, characterization and applications. In Renewable and

Sustainable Energy Reviews, volume 15, 2011, s. 3813-3832

[31] HAWLADER, M.N.A., et al, 2003. Microencapsulated PCM thermal-energy storage

system. In Applied Energy, volume 74, 2003, s. 195-202

http://imgbuddy.com/graphite-structure.asp

http://www.ec21.com/offer_detail/Sell_carbon_nanotubes_MWCNT_SWCNT--13060630.html

http://www.ec21.com/offer_detail/Sell_carbon_nanotubes_MWCNT_SWCNT--13060630.html

72

[32] HUANG, L., et al, 2010. Subcooling in PCM emusions-Part 1: Experimental. In

Thermochimica Acta, volume 509, 2010, s. 93-99

[33] Energiaslnka.sk. Katalóg solárnych technológií 2012 [online PDF]. 2012 [cit. 2015-4-

10]. Dostupné na internete:

http://www.energiaslnka.sk/img/produkty/solarne_termalne_technologie/solarne_termalne

_technologie.pdf

[34] Velvana a.s. Solaren® P Plus -30⁰C [online text]. [cit. 2015-4-13]. Dostupné na

internete: http://www.velvana.cz/solaren-p-plus-30-c/produkt/

[35] KUNDRACIK, F., 1999. Spracovanie experimentálnych dát. Bratislava : univerzita

Komenského, 1999, s. 50-66

[36] NOMURA, T., et al, 2013. Heat storage in direct-contact heat exchanger with phase

change material. In Applied Thermal Engineering, volume 50, 2013, s. 29-30

http://www.energiaslnka.sk/img/produkty/solarne_termalne_technologie/solarne_termalne_technologie.pdf

http://www.energiaslnka.sk/img/produkty/solarne_termalne_technologie/solarne_termalne_technologie.pdf

http://www.velvana.cz/solaren-p-plus-30-c/produkt/

univerzita komenskÉho v bratislave ... - fmph.uniba.sk · mení sa jej vnútorná energia. preto...

Documents